超新星爆發：天文學的科研寶庫

編譯 李威

在這張歐洲南方天文臺施密特望遠鏡拍攝的狼蛛星云照片中，中間的亮點就是超新星1987A

35年了，中畑雅行（Masayuki Nakahata）一直在等待附近的恒星爆炸。

上一次發生這樣的事件是在1987年，中畑雅行還剛剛進入科學界。當時，一個明亮的光點突然出現在南方天空。這個現在被稱為SN1987A的事件，是人類步入現代文明后距我們時間上最近的一次超新星爆發。毫無疑問，SN1987A當時收獲了全世界媒體的關注目光，并且也推動了天體物理學的巨大進步。

那個時候，中畑雅行還是個研究生，在位于日本飛驒市附近的神岡地下天文臺工作，使用的觀測工具就是當時世界上最重要的中微子探測器之一“神岡二號探測器”。SN1987A事件發生時，中畑雅行和另一名研究生比良田惠子（Keiko Hirata）發現，探測器接收到了大量來自超新星的中微子——這是人類第一次探測到來自太陽系之外的中微子。

如今，已是東京大學物理學家的中畑雅行已經為下一次超新星爆發做好了準備。他目前是全世界最大中微子實驗“超級神岡中微子探測實驗”的負責人。2021年年末，“超級神岡探測器”（“神岡二號探測器”的繼任者）升級了它的超新星預警系統，于是，神岡地下天文臺的計算機就能幾乎實時地判斷出是否接收到了來自超新星的中微子，并且還能自動向全世界的傳統望遠鏡發出提醒。

天文學家對下一次超新星爆發事件翹首以盼。“超新星爆發會讓所有人都興奮不已。”明尼蘇達大學德盧斯分校天體物理學家亞力克?哈比格（Alec Habig）說。神岡二號探測器以及其他中微子探測器發出的提醒會立刻導致自動運行中的望遠鏡——在很多情況下，望遠鏡的觀測并不需要人為干預和操作——轉向那顆垂死的恒星，以獲取來自超新星的第一縷星光。當然，在那之前，來自這顆超新星的無數中微子已經先行抵達地球。

不過，巴黎薩克萊大學天體物理學家帕特里斯?布歇（Patrice Bouchet）說，等到超新星的星光真的抵達地球時，等待天文學家的可不只是興奮與喜悅。當年，布歇在智利拉西拉天文臺對SN1987A做出了重要觀測。他表示，超新星的亮度會超過滿月，即便是白天也肉眼可見，這樣的事件可能會讓專業天文學家使用的望遠鏡中的那些極為靈敏但又非常脆弱的傳感器失效。

另外，布歇當年觀測超新星時使用的部分儀器已經不在了。“如果船底座η或獵戶座α爆炸了，”布歇拿這兩顆知名恒星做例子，“我們不可能像觀測SN1987A那樣觀測它們。”科研人員肯定會手忙腳亂地調整設備，天文愛好者反而能在觀測中發揮重要作用，因為他們手上的望遠鏡更小且沒有那么脆弱，而且很多天文愛好者都是觀測明亮天體方面的好手。

不過，超新星爆發顯然能讓天文學家獲益良多。雖然人類細致觀測的超新星爆發事件少之又少，但這類事件是我們認識恒星內部通過核聚變過程“鍛造”的化學元素如何播撒到全宇宙的關鍵。另外，恒星爆炸事件本身也會合成其他方式無法合成的化學元素。中畑雅行和他的同行們期待捕獲的中微子，為我們研究這種在爆炸恒星內部發生的極端物理學過程打開了一扇絕無僅有的窗戶，并且可能促使我們做出有關基本力和基本粒子的重要發現。

新的光芒

1987年2月24日清晨，位于智利的加拿大拉斯坎帕納斯天文臺望遠鏡操作員伊安?謝爾頓（Ian Shelton）意外地發現了一個奇怪的光點。謝爾頓每天都要用望遠鏡拍攝大麥哲倫星云的照片——雖然名字帶個“大”，但這其實是一個圍繞銀河系運動的小星系，在南半球裸眼就能看到——這天，他在曝光照片時發現多了前面提到的那個光點。

謝爾頓立刻意識到這肯定是個大事件。于是，他立刻走到戶外，看向天空，果然發現了一顆此前從未見到過的明亮星星。上一次有人類用肉眼看到這類天體還要追溯到1604年，當時，德國天文學家約翰內斯?開普勒（Johannes Kepler）觀測并記錄了類似天文現象。

超新星爆發是宇宙中牽涉能量最多的事件之一，它們的光芒能一連持續數周乃至數月。在某些極為罕見的案例中，一顆超新星釋放的光芒甚至超過一整個星系。超新星爆發的類型有很多，但最常見的發生在超大質量恒星——它們的質量是我們太陽的8～140倍——的生命尾聲階段。

恒星的供能機制就是內部的核聚變反應，而核聚變需要原料，等到原料耗盡時，大質量恒星就形成了一個由鐵和鎳（等離子態）組成的惰性核。此時，恒星的外層開始向內坍縮，并最終引發核心部分的坍縮。在幾毫秒的時間內，恒星核心的密度就變得極高，質子和電子結合形成中子。于是，恒星核心部分的密度一下就提高了幾個數量級，因為中子的體積要比等離子體物質小得多。這還沒完，中子還會進一步收縮，形成一個密度更高的球體——密度高到物理學允許的極限，并且最終導致恒星核心形成一個哈比格所說的“原中子星”。

每形成一個中子就會釋放一個中微子，因此，恒星核心部分在坍縮時就會突然爆發出大量中微子。不過，這還只是這場能量傾瀉事件的開端。“恒星的其余部分會像雨點那樣墜落到恒星核心。”哈比格說。這些物質在如此強的引力場中墜落數千乃至上萬千米，最終觸及恒星此時堅硬無比的中子內核，之后反彈回去，形成向外擴展的沖擊波。這種沖擊波猛烈異常，足以將恒星的其余部分撕得粉碎，最后只留下核心部分的中子星，質量大約是我們太陽的2倍。

在這張哈勃空間望遠鏡于2011年拍攝的照片中，SN1987A周圍環繞著數個發光環

在坍縮期間，各種物質在下落過程中釋放的能量會擊碎基本粒子——這就和不斷將能量轉換成各類新粒子的高能對撞機中發生的過程一樣。“在那個極其致密、極其灼熱的環境中，任何過程都可能會出現。”杜克大學天體物理學家凱特?斯科爾伯格（Kate Scholberg）說。

那里的大部分粒子無處可去，只能不斷地相互撞擊，但有一種粒子是例外。撞擊產生的中微子有很大概率在不與任何物質接觸的情況下直接逃逸到恒星之外的空間中。于是，在10秒或更長一點的時間里，恒星坍縮產生并向外噴發了大量中微子。距研究人員估計，SN1987A產生的中微子大約有1058個。

到目前為止，散逸的中微子就是超新星“揮霍”能量的最主要方式。雖然沖擊波可能要花上幾個小時才能突破恒星外層從而被我們探測到，但中微子幾乎可以以光速直接逃離恒星。中心坍縮的超新星99%的能量不是以光的形式逃逸的，而是以中微子的形式。

最后，原來恒星物質中的大部分都進入了星際空間。它們會在接下去的漫長時光中推動下一代恒星和行星的形成。實際上，我們的太陽系有可能就是在大約50億年前的時候通過這種方式形成的。

核心部分也留不住

根據最新的估算，平均來說，每個世紀都會有一兩顆銀河系內的恒星出現核心坍縮現象。然而，根據歷史資料，人類目前只記錄到了5顆裸眼可見的超新星，而且學界如今認為其中只有兩顆發生了核心坍縮。造成理論與現實差異的因素有很多。首先，如果集中在坍縮核上的物質質量足夠多，那么就會形成黑洞，當然也就不會發出光了。其次，即便超新星爆發事件真的發生了，恒星遺骸以及噴發出來的物質也有可能被銀河系中厚重的星際塵埃遮擋。第二種情況應該是更為主要的原因。

幸運的是，中微子能夠逃出恒星核心依賴的物理學機制也使得這種粒子能夠暢通無阻地穿過布滿塵埃的銀河系中心。這就意味著，只要出現了超新星爆發事件，無論其具體情況如何，地球上的中微子探測器都能接收到大量中微子，從而記錄到究竟是哪顆恒星發生了坍縮，這是通過其他方式無法做到的。

那么，地球上的中微子探測器究竟能接收到多少來自超新星爆發的中微子呢？1987年的時候，當時世界上最大的中微子探測器之一“神岡二號探測器”用3 000噸水捕捉到了11個中微子。美國和俄羅斯的中微子探測器也捕獲了幾個中微子。如果今天發生類似的事件，于1996年投入運營、擁有5萬噸水的“超級神岡探測器”應該會捕獲至少300個中微子——如果超新星爆發在我們銀河系內，而非在大麥哲倫星云內，那么應該還會更多。

“超級神岡探測器”從2018年起便開始了升級。這次升級大大提升了它研究超新星的能力。尤為重要的是，由日本和美國物理學家組成的“超級神岡中微子探測實驗”合作小組往探測器的水中加入了稀土金屬釓。有了釓之后，探測器就能清楚地區分兩類超新星產生的中微子了。其中一類會在探測器內產生會向隨機方向傳播的閃光，但另一類產生的閃光會直接指向中微子運動的方向。

能夠實時區分這兩類中微子意味著“超級神岡探測器”的軟件可以迅速計算出天文學家應該讓望遠鏡對準的方向，誤差不超過3°。“正是因為能夠區分兩類中微子，超級神岡探測器現在成了能夠給出超新星位置的全球最佳中微子探測器。”中畑雅行說。

此外，“超級神岡探測器”還搭載了一個名為“SNWatch”的超新星提示系統，用于提醒合作團隊的高級成員可能探測到了超新星爆發產生的中微子。與此同時，這個系統還會觸發探測器所在的洞穴狀地下大廳以及控制室的警鈴。2017年，如今的新澤西普雷斯頓大學物理學家薩拉?薩斯曼（Sara Sussman）在“超級神岡探測器”工作組做研究生，她就親身經歷了一次這樣的超新星警示。那是薩斯曼第一次在“超級神岡探測器”的控制室輪班，結果警鈴突然大響——她不知道，這其實只是一次演習。“我這輩子都忘不了那個時刻。”她說。

最近，“超級神岡中微子探測實驗”合作小組還制定了一項規定：當探測器提示發現超新星時，合作小組的領導們應該召開緊急會議判斷接收到的信號是否真實，并且決定是否要向外界公布這個消息。從2021年12月起，合作小組剪除了所有不必要的人為干預流程。中畑雅行表示，如果探測器接收到了大量中微子，SNWatch會在5分鐘內自動向天文學家發出警示以及超新星事件的坐標。他還補充說，軟件系統的后續升級還會將這個反應時間縮減到1分鐘。

這與SN1987A超新星爆發事件發生時的消息傳遞方式天差地別。當年，謝爾頓所在的拉斯坎帕納斯天文臺位于智利山頂，連一根電話線都沒有，配備的衛星電話也常年處于失靈狀態。為了將這個剛剛出現的科研寶庫告知其他天文學家，天文臺的員工只好驅車兩小時去離天文臺最近的小鎮發電報。

時刻警戒

中微子警示系統并不是什么新鮮事物，早在差不多20年前就出現了。超新星早期預警系統（SNEWS）就是一個由“超級神岡探測器”以及其他中微子天文臺構成的中微子預警網絡。除“超級神岡探測器”外，這個系統還包括鑲嵌在南極一立方千米冰塊中的光感器陣列IceCube，以及埋藏在地中海水下的類似陣列KM3NeT。另外，中國和美國目前在建的大型中微子設施也有望在未來幾年中加入這個網絡。日本還在籌建規模6倍于“超級神岡探測器”的“超超級神岡探測器”。“如果銀河系中心發生超新星爆發事件，我們期望借助這個探測器，探測到54 000～90 000個中微子。”超超級神岡探測器項目聯合發言人弗朗西斯卡?迪羅多維科（Francesca Di Lodovico）說。

SNEWS設立的初衷是期望將各類相關信號（無論有多么弱）整合到一起以提高探測結果的可信度。SNEWS網絡內的各大探測器都安裝了一個與SNEWS中心服務器相連的軟件，一旦監測到了異常中微子活動，就會向后者匯報。只有當處于不同地區的兩部中微子探測器在10秒間隔內都監測到了中微子活動突然飆升，SNEWS才會警示天文學家，可能發生了超新星爆發事件。“如果位于日本和意大利的兩家獨立實驗室都監測到了同一種現象，那就不太可能是隨機現象和噪聲。”哈比格說。

“超級神岡探測器”位于日本飛驒市附近，研究團隊在其內部工作時需要劃船

20世紀90年代，也就是SN1987A讓科研人員們意識到及早警示中微子數量上升的重要性之后數年，斯科爾伯格和哈比格開始參與SNEWS的工作。當時，“神岡二號探測器”還沒有現場報告系統。中畑雅行和比良田惠子的任務就是在超新星爆發結束后尋找爆發產生的中微子。為此，他們要把探測器一連數天的原始數據打印出來——那可是成百上千頁滿滿當當的文件——然后用肉眼逐行檢視，尋找接收到的中微子數量的高峰。

SNEWS網絡在2005年正式啟用，但到目前為止連一次警示都沒發出過。“我們不得不欽佩這些研究人員的堅韌與毅力，”哈佛大學（位于馬薩諸塞州劍橋）天文學家羅伯特?克爾什納（Robert Kirshner）說：“他們知道自己做著正確且重要的事，但到目前為止，他們還沒有獲得多少回報。”

現在，SNEWS即將推出它的第一次重大升級，也就是SNEWS2.0。升級的一大目標就是讓系統在探測器可能捕捉到超新星產生的中微子但可信度沒那么高時，也發出警示。過去，各大中微子天文臺都對發出警示持保守態度，希望避免任何可能的誤報。不過，在最近幾年里，這種氛圍發生了變化，科研人員現在樂于交換低可信度的警示消息，目的當然是以防萬一。

“研究人員的態度已經發生了180° 大轉彎。”哈比格說。導致這種變化的部分原因，就是引力波天文學的蓬勃發展，這個領域每周甚至每天都會產生需要許多天文學家使用普通望遠鏡跟蹤觀測的目標信號。于是，我們就可以從各種天文學現象的角度研究同一事件。這是一股朝著多信使天文學發展的趨勢。

SNEWS2.0的另一大創新是，當多個中微子天文臺都接收到大量中微子時，SNEWS2.0會通過對比這種粒子抵達各大天文臺的時間差異，運用三角測量法追溯目標源。哈比格說，這種溯源方法在精度上遠不及“超級神岡探測器”這一個探測器提供的結果，但通過三角測量法溯源在時效上最后可能會快得多。

光線太多

當謝爾頓在智利用肉眼看到SN1987A時，布歇在正確的時間出現在了正確的地點。布歇當時一直在位于拉西拉的歐洲南方天文臺工作，借助那兒的特殊設備，他能在白天對天體做紅外波段的觀測。這意味著，即便各種天體發出的可見光都淹沒在了白晝的天空之中，布歇也能繼續測量超新星的亮度。不過，布歇當年使用的望遠鏡現在已經退役，而且現代天文臺都沒有配備支持做日間紅外波段觀測的設備。

另外，布歇還補充說，更糟糕的情況是，目前，大多數大型天文臺都退役了它們原本配備的小口徑可見光波段望遠鏡，只專注于那些靈敏度最高的大型設備，但這些高靈敏度設備在觀測那些明亮天體時就沒什么用了。不過，英國華威大學天文學家丹尼?斯蒂斯（Danny Steeghs）對此樂觀得多。他表示，部分受到多信使天文學發展的影響，天文學界近年來有“小型望遠鏡”復興的趨勢。“現在，我們擁有了新一代功能性更強的小型望遠鏡，”斯蒂斯說，“超新星爆發時，我們的確有可能錯過最初的那個階段，但我敢肯定所有人都會興奮起來，拿出看家本領，盡可能仔細地觀測。”斯蒂斯是“引力波光學瞬態觀測儀”的負責人，這個系統可以快速覆蓋一大片天區以尋找可能與引力波相關的光源。

“即便是那些真的很亮的天體目標，聰明的天文學家也會找到合適的觀測方式。”拉斯克魯塞斯天文臺高級科學家安迪?霍維爾（Andy Howell）說。拉斯克魯塞斯天文臺位于加利福尼亞圣巴巴拉附近，管理著一張由諸多自動望遠鏡構成的觀測網絡，這些望遠鏡分工合作，觀測范圍就能覆蓋整個天區。“我們可以全天候觀測超新星，因為我們管理的望遠鏡總有處于黑夜的。”

要想觀測極其明亮的天體，天文學家就得使用一些小技巧，比如短時間曝光或者將望遠鏡鏡面部分涂黑以削減其反射的光。不過，最為重要的觀測目標之一——測量超新星的亮度及其隨時間的變化——很難做得十分精確。天文學家通常通過校準的方式測量天體亮度，也就是將目標天體的亮度與同一區域內已知亮度的著名天體作比較。然而，如果目標天體實在太過明亮，以至于遮掩了其他所有天體的光芒，那么這種方法顯然就無效了。

布歇說，如果天文學家真的遇到了困難，那也沒有關系，因為有一大群嚴肅、認真的天文愛好者或許能幫上忙。總部設于馬薩諸塞州坎布里奇的美國變星觀測者協會可以把大量天文愛好者組織起來——要知道，有不少天文愛好者樂于做這樣的事。“他們絕對不會拒絕這樣的邀請——有一些甚至會在得知消息幾分鐘后就啟程前來活動現場。”已經在美國變星觀測者協會工作了40年、經常組織天文愛好者活動的天文學家伊麗莎白?瓦根（Elizabeth Waagen）說。

“哪里都有天文愛好者。”居住于芬蘭于韋斯屈萊的天文愛好者界名人、IT專家阿托?奧科桑森（Arto Oksanen）說，“所以，無論什么時候，都肯定有天文愛好者能在晴朗的天氣下觀測目標。”奧科桑森是一家天文愛好者俱樂部的主席，這家俱樂部的成員們在赫爾辛基北面大約300千米的地方自行建造了一座可以遠程控制的天文臺。這座天文臺擁有可自動開啟、關閉的穹頂，內設一架40厘米口徑的反射式望遠鏡，完全由俱樂部成員負責管理、運營。

不過，即便是口徑更小的望遠鏡也足以觀測明亮的超新星了。奧科桑森說，如果目標確實很亮的話——比如裸眼就能在芬蘭天空中看到——那么他的第一反應大概率是用尼康數碼單反直接拍攝照片。要知道，對于觀測超新星來說，時間是非常重要的因素，只要操作及時，即便是相機拍攝這種非常粗糙的方法，也能記錄下有關超新星亮度變化的重要信息。

另一方面，居住在美國俄勒岡本德的天文愛好者湯姆?考爾德伍德（Tom Calderwood）則表示，鮮有天文愛好者為了可能出現的超新星而制定相應的應急計劃。“毫無疑問，天文愛好者圈子完全有必要坐下來，好好想想做哪些準備。”考爾德伍德說。

SN1987A改變了很多人的人生。謝爾頓在目擊超新星后決定繼續攻讀天文學博士。布歇則把這次超新星爆發之后一年的大部分時光都花在了智利山頂，并且自此之后一直在研究這顆超新星及其遺跡。克爾什納的情況與布歇相似，也是在這次事件之后一直研究SN1987A的遺跡。值得一提的是，克爾什納很快就可能借助2021年年底發射升空的美國宇航局詹姆斯?韋布空間望遠鏡進一步研究這顆超新星的性質，因為這架望遠鏡能夠探測SN1987A的紅外輻射。此外，中畑雅行當時的研究生導師、已故物理學家小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）也憑借通過“神岡二號探測器”取得的研究成果（主要是探測到了那11個超新星中微子）分享了2002年諾貝爾物理學獎。

瓦根說，很多從事天文學研究的青年學者都還記得他們對天文學產生興趣的那一天——當然，這對其他科學領域也同樣適用——“總有一些特殊事件勾起了他們的想象，并就此改變了他們的人生”。瓦根還表示：“毫無疑問，下一次地球可見的超新星爆發也同樣會改變很多人的人生，會以一種嶄新的方式把他們同天空聯系在一起。”

“那樣的事件會很令人興奮，”波士頓大學粒子物理學家埃德?卡恩斯（Ed Kearns）說，“我不知道那時究竟會發生什么、會產生何種影響，因為這還牽涉諸多人性因素。自1987年后，我們還沒有探測到哪怕一顆來自超新星的中微子，但情況隨時可能改變。每一年都是嶄新的一年，每一天都是嶄新的一天，都完全有可能在天空中看到明亮的超新星。”

資料來源 Nature