宇宙最奇特的爆發現象AT2018cow

從ALMA偏光觀察解析超新星真面目

(中央研究院天文及天文物理研究所成果發表，上網時間：2019年11月8日)

2018年6月16日在武仙座方向離我們2億光年外的矮螺旋星系CGCG 137-068中，出現了一個14星等的瞬間爆發現象，稱作”AT2018cow”。AT2018cow爆發後在可見光、X射線、電波等波段特別明亮，最大亮度比一般超新星高出10倍。各方觀測資料都顯示，AT2018cow的演化特性與目前所觀察過的超新星特性截然不同(例如:沒有超新星特有的光譜演化行為)，因此天文學者認為，AT2018cow是一個非常奇特的高能量爆發，世界各地望遠鏡都指向這特異的爆發，想瞭解什麼樣的天體產生這次高能爆發。

根據觀測資料，科學家們提出不同的理論想解釋這奇特的爆炸來源：美國西北大學Margutti教授提出只有極端物理機制才能支持這樣的高能量噴發；利物浦大學Perley博士使用光學多波段及光譜觀測資料，提出AT2018cow的特異行為是源自星體被黑洞影響的潮汐崩解現象 (Tidal Disruption Event, 簡稱 TDE)，而加州理工學院的 Anna Ho博士則認為AT2018cow與多數超新星一樣都是來自恆星死亡時產生的爆炸，不同的是，AT2018cow周圍環境的介質密度比普通超新星高許多，造成超新星爆炸產生的震波速度比普通超新星低，因而表現出與普通超新星不同的演化特性。

台灣中原大學黃麗錦博士、日本東北大學的霜田治朗博士與台灣中央大學的浦田裕次教授帶領的國際合作團隊，在爆發後的第11天及第17天，使用ALMA偏光模式及次毫米波觀察AT2018cow。黃麗錦博士表示：「我們的觀測結果排除了黑洞潮汐崩解的可能性，支持AT2018cow是一個超新星爆炸，其特異行為是由高密度及高磁場環境造成。」

雖然ALMA擁有高靈敏度的偏振觀測能力，但高能天體的光譜峰值必須要落在ALMA觀測範圍內，才有機會偵測到光偏振效應，然而光譜峰值卻會隨時間變動而漂移到其他波段，這增加了觀測的困難。中央大學的浦田裕次教授說：「我們不清楚AT2018Cow的特性，加上觀察機會稍縱即逝，唯有即時分析資料，才能準確預測接下來的觀測策略以達到預期科學目標。」 研究團隊在爆發後11日進行第一次的觀察並即時分析資料。同時也使用ALMA的12米及7米口徑（森田）陣列確認光譜峰值位置。根據第一次的觀測結果，修改第二次的觀測策略，最後成功取得AT2018cow的光譜峰值前後的偏振資料。浦田教授補充說：「觀測策略及快速分析資料是研究這些突發天體的關鍵。我們團隊長期累積在伽瑪射線爆的研究及資料分析經驗，這次成功應用在AT2018cow案例，對我們長期研究方向是一大肯定。」

執行理論模擬的霜田博士說：「ALMA告訴我們AT2018cow需要發生在高密度與高磁場的環境下，才能產生觀測資料與理論相符的行為，我們的結果支持Ho博士的結論。也就是AT2018cow源自於大質量恆星死亡時產生的超新星爆炸，這類的爆炸之後可能會剩下黑洞或是中子星等緻密天體。通常超新星爆炸產生的光偏振角度約1-5%，ALMA有能力偵測偏振訊號。然而此次的ALMA觀測僅測到0.15%的上限值。暗示著 AT2018Cow爆炸產生的偏振訊號，在經過高密度與高磁場的介質中遭到了一些抵銷。」

黃麗錦博士補充：「雖然這次觀察沒有偵測到偏光訊號，但觀察結果暗示像AT2018cow這類的特異超新星，是研究高能宇宙射線來源的一種管道。」宇宙射線約在100年前由奧地利物理學家赫斯(Victor F. Hess)發現，是在宇宙中以近光速前進的帶電粒子，其來源至今還是一個謎團。像AT2018cow爆炸後產生的衝擊波在進入高磁場的環境中，會產生大大小小像漩渦狀的磁場亂流，這些磁場亂流不僅會產生不同方向的偏振光抵銷來自AT20018cow的偏振光，最大的磁場亂流會加速環境中的電子，產生高能量的宇宙射線。透過電波的偏振觀察，正可以估計AT2018cow環境中電子被加速的最大能量。研究團隊認為，如果在更高頻率偵測到偏振光，就可以驗證，像AT2018Cow這類的特異超新星，也是宇宙射線的起源之一，未來有望透過ALMA進一步觀察來實現。

一般ALMA的觀測時間是天文學家每年4月提出計畫書後獲得批准才能進行觀測。為了不錯過突發天體的觀察，許多天文台包括ALMA皆設置「台長裁定時間」的管道讓科學家申請觀測這些難得且重要的天體。本研究團隊因活躍於研究宇宙最大規模爆發現象──伽瑪射線爆──的觀測，因而在向ALMA提出偏振觀測計畫後3天便得到批准。該次透過「ALMA台長裁定時間」管道最後共有三個AT2018cow的觀測提案書獲得許可，本觀測計畫即為其中之一。提案的負責人黃麗錦博士表示: 「此次的觀測如果沒有中研院天文所的觀測支援，是無法完成的。尤其這次的突發天體發生在台灣的周末時間，需要快速進行觀測並與時差相差12小時的ALMA望遠鏡進行連絡事宜。研究團隊特別要感謝當時的支援天文學家謝佩穎博士的支援協調AT2018cow觀測事宜。」

論文的共同作者之一的中研院天文所淺田圭一博士表示:：「中研院天文所長期致力於ALMA計畫，這次ALMA觀測可以限制AT2018cow的偏振通量密度上限，並給予有意義的物理解釋，是很重要的一步。未來，格陵蘭望遠鏡上線後的長期觀察，以及ALMA偏振靈敏度的提升，都可以增加觀察這些特異超新星的數量，探索宇宙高能爆炸來源。」

本項研究結果已於2019年6月12 日由Astrophysical Journal Letters 發表。篇名：ALMA Polarimetry of AT2018cow

論文作者為：Kuiyun Huang (CYCU), Jiro Shimoda (Tohoku Univ.), Yuji Urata (NCU), Kenji Toma (Tohoku Univ.), Kazutaka Yamaoka (Nagoya Univ.), Keiichi Asada (ASIAA), Hiroshi Nagai (NAOJ/SOKENDAI), Satoko Takahashi (JAO/NAOJ/SOKENDAI), Glen Petitpas (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics), Makoto Tashiro (Saitama Univ.)

中央研究院天文及天文物理研究所科學成果發表： https://www.asiaa.sinica.edu.tw/news/sciencehighlight.php

圖說：AT2018cow爆炸時與周圍物質作用的示意圖。AT2018cow為大質量恆星死亡產生的爆炸以噴流形式噴出，並與外面高密度的環境作用情形。

圖像版權 : National Astronomical Observatory of Japan

撰稿：黃麗錦博士

網頁編輯：黃珞文

審校：黃麗錦博士、周美吟博士