改编自《中微子猎人：追逐幽灵粒子以解锁宇宙秘密的惊险之旅》，作者：Ray Jayawardhana，经与大众科学/Farrar, Straus and Giroux, LLC（美国），HarperCollings（加拿大），Oneworld（英国）安排。版权所有 © 2013 Ray Jayawardhana。
1987年2月24日凌晨，在智利的塞罗拉坎帕纳斯山顶，伊恩·谢尔顿决定冲洗当晚最后一张感光板，然后上床睡觉。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有几十年历史的10英寸望远镜，用这个小仪器对准银河系的星系伴星之一——大麦哲伦星云（LMC）。他从显影槽中取出感光板，检查以确保长达三小时的曝光效果良好。然后，一些东西引起了他的注意：在被称为塔兰图拉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亮点可能是什么，并推断这很可能是胶片本身的缺陷。但为了以防万一，他走出望远镜围栏，来到干燥的山区空气中，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，这颗星星在前一天晚上是看不到的。谢尔顿匆匆跑到山脊上的另一个望远镜圆顶，分享了这个消息。
当他在控制室与天文学家巴里·马多尔和威廉·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，他几个小时前休息时也看到了同一颗星星。他们四人一致认为，这颗“新”星必定是一颗超新星，一颗爆炸的恒星，其亮度可以在短时间内超过十亿个太阳。已知没有其他类型的天文物体在亮度上发生如此剧烈的变化，从前一天晚上照片中太暗而无法记录到可以用肉眼轻松看到。这意味着谢尔顿和杜哈尔德在银河系的卫星星系中发现了一颗超新星。几个小时后，新西兰的一位业余天文学家独立地看到了同样的事情。
关于支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保关于塑造我们当今世界的发现和想法的有影响力的故事的未来。
到上午中旬，世界各地的科学家通过来自兴奋的同事的电话和国际天文学联合会的电报得知了这一发现。“超新星1987A”（它后来的名字）是自近四个世纪前望远镜发明以来，在我们的银河系附近观测到的第一颗超新星，这一事实让他们感到高兴。
天文学家们蜂拥而至，利用遍布南半球的一整套光学、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，来观察大麦哲伦星云中正在展开的这一重大事件。这是一段令少数科学家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，“这就像圣诞节一样。”
对超新星1987A的这些研究为理论学家在超级计算机上借助复杂模拟而开发的方案提供了广泛的支持，该方案描述了一颗衰老的巨大恒星如何自我毁灭，其核心坍缩成一个紧密堆积的中子球（称为中子星）或黑洞，而其喷出的外层则向外扩散，形成一个发光的气体云。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被称为中微子的幽灵亚原子粒子的性质提供了重要线索。对1987年超新星的各种研究共同促使人们期待着在我们自己的银河系中发生类似的恒星坍缩——这一事件可能随时发生，并且应该回答关于恒星死亡和中微子性质的遗留问题。这一次，中微子猎人可能会是第一个探测到该事件的人。
光子先驱
已故的约翰·巴卡尔当时在新泽西州普林斯顿高等研究院工作，他发现超新星1987A如此令人兴奋，以至于他都失眠了。他的兴奋是有充分理由的：巴卡尔知道，根据恒星演化的理论模型，在巨大恒星生命末期发生的核坍缩应该会导致大量中微子的爆发，这些中微子会毫不受阻地逃离恒星内部深处的爆炸地点。只有在恒星的外壳爆炸时，才会出现可见的烟火。在听到超新星1987A的消息几分钟后，巴卡尔和他的两位同事就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，并在一周内将他们的结论提交给《自然》杂志，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卡米奥坎德实验，该实验由一个四层楼高的圆柱形纯净水箱组成，周围环绕着1000个光电管，用于记录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工作原理的理解存在基本缺陷。
果然，令世界各地的科学家感到无比欣慰的是，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。卡米奥坎德探测器的光电管在持续几秒钟的爆发中捕捉到了11次闪光，这比智利和新西兰的天文学家首次用光学方法观测到超新星早了近三个小时。在地球另一半，位于伊利湖下浅盐矿中的一个类似的中微子探测器，在与卡米奥坎德完全相同的时间记录了八次闪光。后来，科学家们了解到，位于俄罗斯高加索山脉的巴克桑中微子天文台的一个基于石油的第三个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中微子中的一小部分，这些中微子以爆发的形式掠过我们的星球，起源于大麦哲伦星云中爆炸的恒星的核心。由于所有这三个中微子“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，然后从下方进入探测器。
探测到总共二十几个粒子听起来可能不算什么。但这些中微子事件的重要性在于，它们多年来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·比康所说，“中微子让我们能够看到一颗巨大恒星在其生命末期的内部，因此我们可以进行天文学家原本无法进行的天体物理学研究。”
超新星中微子的探测，尽管它们很稀少，但也验证了一颗巨大恒星爆炸方式的一些重要细节。天体物理学家很高兴地发现，他们测量的中微子的数量和能量与他们基于爆炸的理论计算的预期一致。由于理论与观测之间的高度一致性，研究人员得出结论，超新星并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的粒子（称为轴子）或泄漏到神秘的额外维度中。中微子在几秒钟内到达，而不是一次爆发，这证实了它们确实如预测的那样，需要一些时间才能从极其稠密的收缩核心中出来。
此外，这些测量结果还揭示了中微子本身的性质线索。由于中微子到达地球的时间不比超新星被光学照片捕捉到早三个小时，因此它们一定是以非常接近光速的速度传播的。较轻的粒子比重的粒子传播得更快，因此科学家们推断中微子的质量一定非常小。事实上，根据来自超新星1987A的粒子的到达时间，科学家们能够证明，尽管它们数量庞大，但中微子不太可能构成渗透宇宙的神秘“暗物质”。更重要的是，当2011年媒体爆发关于中微子传播速度快于光速的狂潮时，一个强有力的反驳论点是基于对1987年超新星的观测。如果这些粒子确实以实验最初报告的速度传播，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。
准备就绪
超新星1987A激起了天体物理学家的胃口，他们渴望了解垂死恒星的内部运作。“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，我们将能学到什么，”洛斯阿拉莫斯国家实验室的亚历克斯·弗里德兰德思索道。如此惊人的事件不仅能让我们精确地确定爆炸进行时的事件顺序，而且还能明确地告诉我们这颗不幸的恒星发生了什么。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了解这些难以捉摸的粒子在实验室中无法复制的极端条件下的行为方式。
两组科学家要实现他们的目标，都需要我们银河系内发生一次核心坍缩超新星爆发。令人惊讶的是，自 1604 年以来，银河系中就没有观测到超新星爆发。当时，包括德国数学家约翰内斯·开普勒在内的天文学家在蛇夫座中发现了一颗“新星”。这颗超新星在最亮的时候，甚至在白天都能看到。就在三十年前，即 1572 年，包括传奇的丹麦天文学家第谷·布拉赫在内的欧洲观测者也看到了另一颗。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残骸爆炸造成的。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，而不是由一颗大质量恒星在其生命末期核心坍缩造成的。
根据对其他星系的观测，今天的天文学家估计，银河系中每世纪至少会有几颗大质量恒星发生爆炸。即使星际物质阻挡了来自银河系遥远区域的超新星的光线，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中任何地方的大质量恒星的死亡。我们已经运行了大约四分之一个世纪的灵敏中微子探测器，如果我们的估计是正确的，那么我们现在随时可能观测到银河系超新星爆发。“这将是一生一次的机会，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·拉菲尔特说。
杜克大学的凯特·斯科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），这是一个协调网络，旨在快速通知银河系中的核心坍缩爆炸。计划是，全球范围内对超新星中微子敏感的探测器（如南极洲的冰立方、意大利的大体积探测器和 Borexino，以及日本的更大的、更灵敏的 Kamiokande 的升级版，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，”斯科尔伯格解释说。
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。斯科尔伯格和她的同事希望地面和太空中的望远镜能够尽快记录下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，以便有最好的机会查明早期光线，”她说。
“测量来自银河系超新星的中微子将告诉我们大量的信息，”斯科尔伯格说。“这是一个难以置信的信息宝库。”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，科学家将能够确定恒星的核心是否完全坍缩成黑洞（连中微子都无法逃脱），或者是否在短时间内停止，而是形成一颗中子星。如果形成黑洞，那么从超新星向外发射的中微子流将突然停止。另一方面，如果最终产物是一颗中子星，那么恒星残骸将继续发射中微子大约 10 秒钟，同时它会冷却下来，因此中微子流应该逐渐减少，而不是突然切断。
银河系超新星爆发也可能揭示中微子本身的性质。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状态和一个轻质量状态，还是一个重质量状态和两个轻质量状态，他们认为测量超新星中微子可以确定答案。此外，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中微子的奇异集体振荡，”斯科尔伯格说。“如果它们的行为出现任何异常，它们可能指向超越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，有几个现有的探测器足够灵敏，可以记录来自银河系中任何地方发生的超新星爆发的中微子。例如，超级神冈会记录到来自银河系中心附近的超新星的数千次命中，距离地球超过 25,000 光年。它甚至可以将中微子的来源方向精确到几度之内，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，它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，每隔几毫秒拍摄一次快照，”威斯康星大学麦迪逊分校的冰立方首席研究员弗朗西斯·哈尔岑说。“我们将能够准确地确定中子星形成的确切时刻。”
然而，目前的探测器仅对一种中微子敏感，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。）“只观察一种味就像通过单色滤镜拍照，”斯科尔伯格观察到。她宁愿拥有全彩视图。作为开发彩色视觉的第一步，斯科尔伯格和她的加拿大同事正在安大略省的 SNOLAB 建造一种名为氦和铅观测台（HALO）的专用设备。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的记录其反物质孪生的探测器。就中微子探测器而言，HALO 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，但实现这些前景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“是一个屏住呼吸的问题”。问题在于，目前的观测台不够灵敏，无法探测到来自其他星系的超新星的许多中微子。例如，超级神冈将从仙女座星系（银河系最近的同等大小的邻居，距离 250 万光年）的爆炸中记录到一个微不足道的事件。
尽管所有证据都表明，诸如参宿四和海山二等老化的巨星将在不久的将来迎来火热的末日，但我们不知道它们的死亡何时会到来。在宇宙的语境下，“不久的将来”很可能是几十万年后的事。也就是说，在未来几十年内，银河系中的某个地方的一颗大质量恒星很可能会爆炸。正如洛斯阿拉莫斯国家实验室的弗里德兰告诉我的那样，“如果我必须赌哪件事会先发生，下一次银河系超新星爆发还是在美国建造下一台大型粒子对撞机，我的钱会押在超新星上。”即使超新星距离地球太远，我们无法通过银河系的尘埃面纱观察到它的光线，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，中微子猎人会像庆祝其他任何时刻一样庆祝它。