物理学家热切期待来自附近超新星的中微子 [节选]

天体物理学家们正积极准备接收来自我们银河系中一颗爆炸恒星的中微子，他们希望这些亚原子粒子能够为恒星死亡的物理学提供无与伦比的见解

1987年2月24日凌晨，在智利托洛洛山天文台顶峰，伊恩·谢尔顿决定冲洗当晚最后一张底片，然后去睡觉。谢尔顿是多伦多大学聘请的常驻观测员，他一直在山上摆弄一台使用了几十年的10英寸望远镜，将这台小型仪器对准银河系的银河伴星之一，大麦哲伦星云（LMC）。他从显影槽中取出底片，检查以确保三小时的曝光效果良好。然后，有什么东西引起了他的注意：在被称为蜘蛛星云的熟悉蜘蛛状特征旁边，有一个奇怪的亮点。他想知道这个不寻常的光点可能是什么，并推断这很可能是底片本身的缺陷。但为了确保万无一失，他走出望远镜外壳，来到干燥的山间空气中，用自己的眼睛仰望天空。他看到大麦哲伦星云中有一颗明亮的星星，前一天晚上还看不见。谢尔顿匆匆跑到山脊上的另一个望远镜圆顶，分享这个消息。

当他在控制室与天文学家巴里·马多雷和威廉·昆克尔讨论他令人困惑的发现时，智利望远镜操作员奥斯卡·杜哈尔德插话说，他在几个小时前出去休息时也看到了同一颗星星。他们四人一起断定，这颗“新”星一定是超新星，一颗爆炸的恒星，其亮度可以短暂地超过十亿个太阳。已知没有其他类型的天文物体亮度变化如此剧烈，从前一天晚上拍摄的照片中太暗而无法记录，到肉眼很容易发现。这意味着谢尔顿和杜哈尔德发现了一颗位于银河系卫星星系中的超新星。几个小时后，一位新西兰的业余天文学家独立地看到了同样的东西。

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到上午中午，世界各地的科学家都了解了这一发现，他们从欣喜若狂的同事的电话和国际天文联合会的电报中得知了消息。他们的喜悦与“超新星1987A”（后来为人所知）是自近四个世纪前望远镜发明以来在我们的银河系邻域中观测到的第一颗超新星有关。

天文学家们蜂拥而至，利用分布在南半球的强大的光学、红外和射电望远镜，以及宇宙飞船上的X射线和紫外线仪器，来观察发生在大麦哲伦星云中的这一重大事件。这是一个科学家们很少经历过的疯狂活动时期。正如一位兴高采烈的天体物理学家所宣称的那样，“这就像圣诞节。”

对超新星1987A的这些研究为理论学家在超级计算机上复杂模拟的帮助下，为一颗衰老的大质量恒星如何自我毁灭的场景提供了广泛的支持，其核心坍缩成一个紧密堆积的中子球——称为中子星——或黑洞，其喷射出的外层向外扩散，形成发光碎片云。然而，庆祝活动不仅限于天文学家。对于粒子物理学家来说，对超新星的其他观测为幽灵般的亚原子粒子中微子的性质提供了重要的线索。对1987年超新星的多样化研究共同建立了对我们银河系中类似的恒星坍缩的期待——这可能随时发生，并且应该回答关于恒星死亡和中微子性质的挥之不去的问题。这一次，中微子猎人很可能成为第一个探测到该事件的人。

光子先驱
已故的约翰·巴卡尔，当时在普林斯顿高等研究院，发现超新星1987A非常令人兴奋，以至于他失眠了。他的兴奋是有充分理由的：巴卡尔知道，这次宇宙灾难的最先到来，并且可以说是最重要的先兆，一定是在天文学家使用传统望远镜发现超新星的几个小时前到达的。他很清楚，根据恒星演化的理论模型，大质量恒星生命末期的核心坍缩应该导致大量的中微子爆发，这些中微子将几乎不受阻碍地逃离恒星深处的爆炸地点。可见的烟火只会稍后出现，当恒星的外壳爆炸时。在听到超新星1987A的消息几分钟后，巴卡尔和他的两位同事开始计算地球上各种中微子探测器应该记录到多少中微子。他们确定答案应该是几十个中微子，并在一周内向《自然》杂志提交了一篇论文，其中包含他们的结论，以便他们的预测可以在实际测量之前发表。[编者注：《大众科学》是自然出版集团的一部分。]

与此同时，实验物理学家已经开始搜索世界各地几个地下探测器记录的数据。他们记录超新星中微子的最佳机会是在日本的神冈实验中，该实验由一个四层楼高的圆柱形纯净水罐组成，周围环绕着1000个光电倍增管，用于记录当中微子与水原子相互作用时产生的光闪烁。未能测量到来自超新星1987A的中微子可能意味着我们对超新星如何工作的基本理解存在缺陷。

果然，令全世界科学家彻底松了一口气的是，中微子信号在数据中清晰地显现出来，毫无疑问地表明了它的来源。神冈探测器的光电倍增管在持续几秒钟的爆发中拾取了11次闪烁，这比智利和新西兰的天文学家首次光学观测到超新星早了近三个小时。在地球另一端的浅层盐矿中，位于伊利湖下，离克利夫兰不远，一个类似的中微子探测器在与神冈完全相同的时间记录了八次闪烁。后来，科学家们得知，位于俄罗斯高加索山脉巴克桑中微子天文台的第三个油基探测器也记录了五个中微子。

探测到的二十几个中微子只是数十亿计的中微子中的一小部分，这些中微子以爆发的形式扫过我们的星球，起源于大麦哲伦星云中爆炸恒星的核心。由于这三个中微子“天文台”都位于北半球，而大麦哲伦星云位于南半球，因此中微子必须从地球的一侧穿过另一侧，穿过我们星球的内部，并从下方进入探测器。

探测到总共二十几个粒子听起来可能没什么值得夸耀的。但是，这些中微子事件的重要性在于，多年来它们一直是数百篇科学论文的主题。超新星1987A是我们首次观测到来自太阳以外天文来源的中微子。正如俄亥俄州立大学的理论物理学家约翰·比科姆所说，“中微子使我们能够看到一颗大质量恒星在其生命末期的内部，因此我们可以进行天体物理学研究，而天文学家原本永远无法做到。”

超新星中微子探测，尽管稀疏，但验证了一颗大质量恒星如何爆炸的一些重要细节。天体物理学家很高兴发现他们测量的中微子的数量和能量与他们基于爆炸理论计算的期望相符。由于理论和观测之间的高度一致性，研究人员得出结论，超新星没有通过某种神秘的过程损失能量——例如，通过中微子发射假想粒子轴子或泄漏到神秘的额外维度。中微子在几秒钟内而不是一次性爆发到达，证实了它们确实需要一些时间才能从极其稠密的收缩核心中出来，正如预测的那样。

此外，这些测量还揭示了中微子自身性质的线索。由于中微子在超新星被光学照片捕捉到之前不超过三个小时到达地球，它们一定以非常接近光速的速度传播。较轻的粒子比重粒子传播得更快，因此科学家们推断，中微子的质量一定非常小。事实上，根据粒子从超新星1987A到达的时间，科学家们能够证明，尽管中微子的数量惊人，但它们不太可能构成弥漫宇宙的神秘“暗物质”。更重要的是，当2011年媒体疯狂报道中微子以超过光速的速度传播时，一个强有力的反驳论点是基于对1987年超新星的观测。如果这些粒子确实像实验最初报告的那样快地传播，那么来自超新星1987A的中微子爆发应该比光学光早几年到达地球，而不是仅仅提前几个小时。

积极准备
超新星1987A激起了天体物理学家们了解垂死恒星内部运作的胃口。“想象一下，如果我们能够探测到来自附近超新星的1000个中微子，我们能学到什么，”洛斯阿拉莫斯国家实验室的亚历克斯·弗里德兰德沉思道。如此惊人的事件不仅能让我们准确地指出爆炸过程中的事件顺序，还能明确地告诉我们这颗命运多舛的恒星变成了什么。粒子物理学家也对来自超新星的中微子感兴趣，因为它们提供了一个难得的机会来理解这些难以捉摸的粒子在实验室无法复制的极端条件下的行为。

两组科学家要实现他们的目标，都需要我们银河系中发生核心坍缩超新星。令人惊讶的是，自1604年以来，银河系中就没有观测到超新星，当时包括德国数学家约翰内斯·开普勒在内的观星者注意到蛇夫座中出现了一颗“新星”。这颗超新星在其峰值时非常明亮，以至于在白天也能看到。就在三十年前，即1572年，包括传奇丹麦天文学家第谷·布拉赫在内的欧洲观察家也看到了另一颗超新星。目前的证据表明，这两颗超新星都是由一颗被称为白矮星的恒星灰烬爆炸造成的，白矮星要么吞噬了来自伴星的物质，要么与另一颗白矮星合并，而不是来自大质量恒星在其生命末期的核心坍缩。

根据他们对其他星系的观测，今天的天文学家估计，在银河系中，每个世纪至少有几颗大质量恒星会爆炸。即使星际物质阻挡了来自我们银河系遥远区域的超新星的光，它也不会阻碍中微子的通过，因此探测到中微子爆发将揭示银河系任何地方一颗大质量恒星的死亡。我们已经拥有灵敏的中微子探测器运行了大约四分之一个世纪，如果我们的估计是正确的，我们现在应该期待银河系超新星随时爆发。“这将是一生只有一次的机会，所以我们最好做好准备，”慕尼黑马克斯·普朗克物理研究所的乔治·拉弗尔特说。

杜克大学的凯特·肖尔伯格对此表示赞同。她和她的同事们建立了超新星早期预警系统——简称SNEWS——一个协调网络，旨在快速通报银河系中的核心坍缩爆炸。该计划是，全球各地对超新星中微子敏感的探测器——例如南极洲的冰立方，意大利的大体积探测器和 Borexino，以及日本更大、更灵敏的神冈版本，称为超级神冈——将向长岛布鲁克海文国家实验室的中央计算机报告候选爆发。“如果几个中微子探测器同时亮起，那么很可能附近发生了超新星爆发，”肖尔伯格解释说。

如果SNEWS计算机在两个探测器的信号之间发现10秒内的巧合，它会向全球天文台发出警报。肖尔伯格和她的同事们希望地面和太空中的望远镜能够尽快记录来自爆炸的电磁辐射，包括可见光、无线电波和X射线，并观察其早期阶段的展开。“我们的想法是让尽可能多的人在任何地方进行观察，以获得最佳机会来精确定位早期光，”她说。

“测量来自银河系超新星的中微子将告诉我们大量信息，”肖尔伯格说。“这是一个令人难以置信的丰富信息矿藏。”探测器将记录到达的中微子的数量和能量如何随时间演变，这将使我们深入了解爆炸是如何展开的。除其他外，科学家们将能够确定恒星的核心是否完全坍缩成黑洞，从中没有任何东西——甚至中微子——可以逃脱，或者它是否在短时间内停止，而是形成了中子星。如果黑洞形成，从中微星向外飞出的中微子流将突然停止。另一方面，如果最终产物是中子星，那么恒星灰烬将在冷却时继续发射中微子约10秒钟，因此中微子流应该缓慢减少而不是突然切断。

银河系超新星也可以阐明中微子本身的性质。例如，物理学家一直在努力确定他们所谓的“中微子质量等级”。实际上，他们想知道是存在两个重质量态加一个轻质量态，还是一个重质量态和两个轻质量态，他们相信测量超新星中微子将确定答案。更重要的是，在超新星核心中，中微子的密度非常高，以至于中微子之间的相互作用（否则它们会忽略彼此的存在）可能会改变它们的行为。“我们可能会看到一些奇异的中微子集体振荡，”肖尔伯格说。“如果它们的行为有任何异常，它们可能会指向超出标准模型的新物理学，”标准模型是经过充分检验的基本力和基本粒子的框架。

幸运的是，几个现有的探测器足够灵敏，可以记录来自银河系任何地方的超新星的中微子。例如，超级神冈将记录来自银河系中心附近超新星的数千次命中，距离超过25,000光年。它甚至可以将中微子的来源方向精确定位到几度以内，相当于比满月大几倍的天空区域。冰立方将记录一百万次事件，最适合跟踪中微子流如何随时间演变。“我们将能够看到爆炸的整个10秒故事，以每毫秒拍摄的快照展开，”威斯康星大学麦迪逊分校冰立方首席研究员弗朗西斯·哈尔岑说。“我们将能够确定中子星形成的确切时刻。”

然而，目前的探测器仅对一种类型的中微子敏感，即电子反中微子。（中微子及其反物质对应物各有三种所谓的味：电子、μ子和τ子。）“仅观察一种味就像通过单色滤镜拍照，”肖尔伯格观察到。她宁愿拥有全彩视野。作为开发多色视觉的第一步，肖尔伯格和她的加拿大同事正在安大略省的SNOLAB建造一个专用设备，称为氦和铅天文台（HALO）。HALO使用80吨铅作为探测器材料，对电子中微子敏感，因此它将补充其他现有探测器，这些探测器记录它们的反物质孪生体。HALO作为中微子探测器而言相当小，因此超新星必须在银河系较近的一半范围内爆炸才能被探测到。

等待游戏
尽管前景令人兴奋，但要实现它们，必须等到银河系附近发生核心坍缩超新星爆发。漫长的等待令人沮丧。正如俄亥俄州立大学的比科姆所说，这“只是屏住呼吸的问题”。问题是，目前的观测站不够灵敏，无法探测到来自其他星系的许多超新星。例如，超级神冈将仅记录来自仙女座星系（银河系最近的同等规模的邻居，距离250万光年）的单次微不足道的事件。

尽管所有证据都表明，衰老中的巨星，如参宿四和海山二，将在不久的将来迎来火热的终结，但我们不知道它们的灭亡何时到来。在宇宙尺度上，“不久的将来”很可能在几十万年之后。尽管如此，在未来几十年内，银河系某处的一颗大质量恒星爆炸的可能性还是很大的。正如洛斯阿拉莫斯国家实验室的弗里德兰德告诉我的那样，“如果我必须押注什么会先发生，是下一个银河系超新星，还是在美国建造下一个大型粒子对撞机，我的钱会押在超新星上。”即使超新星离地球太远，我们无法透过银河系尘埃面纱观察到它的光，它也会在世界各地的中微子探测器中闪耀光芒。这将是一场轰动性的事件，一个分水岭时刻，中微子猎人将以前所未有的方式庆祝它。