超新星随时可能点亮整个银河系 |《自然》长文

源济

超新星随时可能点亮整个银河系 |《自然》长文

Original Nature Portfolio Nature Portfolio 2022-07-11 23:40 Posted on 上海

原文作者：Davide Castelvecchi

如果我们银河系邻居的一颗恒星发生爆炸，它将发出比月光还要强烈的光芒。研究人员正争分夺秒地为观测这场“烟火秀”做准备。

为了观测近距恒星爆发，中畑雅行（Masayuki Nakahata）已经等了35年。

上一次爆发事件发生在1987年2月。当时，南天区突然出现了一个亮点，而中畑才刚刚开始他的科研生涯。这次距今最近的超新星爆发事件被命名为SN 1987A，得到了全球媒体的关注，也极大地推动了天体物理学的进步。

当时中畑还是一名研究生，在神冈-II（Kamiokande-II）探测器工作。神冈-II探测器位于日本飞驒市近郊的神冈地下天文台，是当时世界上最先进的中微子捕获设备之一。中畑与同学平田庆子（Keiko Hirata）发现了超新星爆发涌出的中微子，这也是人类首次观测到来自太阳系之外的这种基本粒子。

现在的中畑是东京大学的一名物理学家。作为世界上规模最大的中微子探测实验项目——超级神冈（Super-Kamiokande）的负责人，他已经为下一次的超新星爆发做好了准备。去年末，超级神冈探测器完成了超新星预警系统的升级。这次升级使其计算机系统能够几乎实时地探测并识别超新星爆发所产生的中微子，并向世界各地的常规望远镜自动发出提醒。

这张蜘蛛星云照片中心附近的明亮光点就是超新星1987A。照片由欧洲南方天文台（ESO）的施密特望远镜拍摄。来源：欧洲南方天文台

天文学家全都翘首以盼。明尼苏达大学德卢斯分校的天体物理学家Alec Habig说：“每个人都要打起十二分精神。”超级神冈和其他中微子天文台发布的预警将在无需人工干涉的情况下激活全自动望远镜，这些自动望远镜将对准这颗垂死恒星的方向，捕捉在中微子风暴后来自这颗超新星的第一束光。

然而，由于这些光线过于强烈，本来的好事可能会变成坏事，巴黎萨克雷大学的天体物理学家Patrice Bouchet说。Bouchet曾在智利拉西亚天文台对SN 1987A做出过重要观测。超新星爆发的亮度极高，甚至亮过满月，在白天也肉眼可见。对于专业天文学家使用的望远镜来说，如此高的亮度会损坏其中那些极度灵敏而精巧的传感器。

Bouchet过去使用的一些设备现在已经退役了。“如果海山二或是参宿四突然爆发，”Bouchet以两颗著名恒星举例道，“我们其实还没有做好观测的准备，无法像之前观测1987A那样。”届时，研究人员必须根据观测需求匆忙改造设备，而观测的主要重担将落在天文爱好者的肩上，因为他们的望远镜更小，操作起来也更熟练。

但不管如何，观测这些超新星的科学回报将是巨大的。超新星极少被近距离观测，但是这对于了解通过核聚变进入恒星内部的化学元素如何扩散到各个星系至关重要。而且，恒星爆发本身也会合成一些本来不会出现的元素。中畑等人希望他们捕捉到的中微子将为了解恒星爆炸内部的极端物理现象提供一个独特窗口，并有望带来对自然界基本力和基本粒子的重要发现。

 新的光芒

1987年2月24日清晨，位于智利拉斯坎帕纳斯的一座加拿大天文台的望远镜操作员Ian Shelton发现了一个奇怪的光点，这个光点出现在他刚刚对大麦哲伦云例行拍摄的一组图像上。大麦哲伦云是一个围绕银河系运行的小星系，在南半球天空可见。

Shelton立即意识到，这个光点可能来自一次重大事件。他走到外面亲自用肉眼看了看，果然发现这片区域有一颗之前从未见过的亮星。这也是自德国天文学家开普勒1604年亲眼看见一颗恒星体以来，人类再一次用肉眼观测到这类天体。

超新星是宇宙中能量最强的激变事件之一，会持续发光数周或数月。在一些罕见的情形下，超新星发出的光比一整个星系还要多。超新星爆发可分为几种类型，但最常见的是一颗超大恒星到达了它的生命末期——这类恒星的质量约是太阳的8到140倍。

核聚变能为恒星提供动力，而当恒星耗尽了核聚变的燃料后，就会留下一个由等离子体状态的铁和镍构成的惰性核。恒星的外层开始向内收缩，而核开始塌陷。就在几毫秒的时间里，核内的大部分物质会急剧压缩，以至于质子和电子结合成中子。核的密度会陡然增加几个数量级，因为中子的体积比等离子体小得多。这些中子还会聚集形成一个更致密的球——球的密度将达到物理定律的极限，在核内形成Habig称之为原中子星（proto-neutron star）的星体。

每形成一个中子都会释放出一个中微子，因此核的坍缩会引起中微子一开始的短暂爆发。但是整个激变事件才开了个头。Habig说：“恒星的其他部分会向原中子星倾泻而下。”在强烈的引力场中下落数千公里后，这些物质会击中这颗中子核的坚硬表面，再反弹并产生向外传播的冲击波。这种冲击波异常猛烈，会导致恒星其他部分解体，最后只留下了中子星。这颗中子星的重量大约是太阳的两倍。

哈勃太空望远镜在2011年拍摄到SN 1987A被一组光环包围。来源：ESA/Hubble & NASA

在坍缩的过程中，下落的物质所释放的能量将基本粒子压缩到一起——就像高能对撞机中发生的过程，能量会不断地转化为各种新粒子。美国杜克大学的天体物理学家Kate Scholberg说：“这个过程会达到难以置信的热度和密度，各种反应都在发生。” 

这些粒子大多无处可去，只能不断碰撞——但有一个例外。当碰撞产生一个中微子时，这个中微子大概率会在不撞到任何东西的情况下逃逸到外层空间。因此，在大约十来秒的时间内会产生很多中微子。据研究人员估计，SN 1987A一共喷出了10⁵⁸个这种中微子。

在这个时间尺度上，中微子便成了超新星释放能量的主要方式。尽管冲击波可能还要好几个小时才能穿过恒星的外层被我们看到，但中微子会以接近光速的速度被直接发射出来。核心坍缩超新星产生的99%以上的能量并非以光的形式，而是以中微子的形式逸出。

最终，这颗恒星的大部分原始质量会逸散到星际空间。在接下来的千万年里，它将引发形成新的恒星和行星；大约50亿年前，我们的太阳系可能就是这样出现的。

核心坍缩

根据最新估计[1]，平均每100年就有一到两颗银河系的恒星发生核心坍缩。但在整个历史上，只有五颗肉眼可见的超新星被记录了下来，其中两颗被认为是核心坍缩型[2]。出现这种落差的原因有很多。如果足够的质量集中在坍缩的核心，它就会形成一个黑洞，不会产生“灯光秀”。在大多数情况下，爆发可能确实发生了，但却被银道面上厚厚的星际尘埃掩盖了——银道面上有很多大质量恒星。

好在，能让中微子逃离恒星核心的物理定律也会让它们不受阻碍地穿过满布星际尘埃的银心。这意味着地球上的中微子探测器无论如何都会探测到中微子雨，这样就能记录下其他方式都无法探测到的坍塌恒星。

那么，这种中微子雨能有多大的规模呢？1987年时，神冈-II探测器是世界上数一数二的中微子探测器，它用3000吨水捕获了11个中微子；当时，俄亥俄州和俄罗斯的实验项目也捕获了几个中微子。如果类似事件发生在今天，超级神冈探测器——1996年启用并拥有5万吨水——将发现至少300个中微子——如果这颗超新星发生在我们的银河系，而不是在大麦哲伦云，发现的中微子数量还会更多。

从2018年开始，超级神冈天文台（也被称为Super-K）进行了一次升级，极大地提高了其研究超新星的能力。尤其值得一提的是，在由日本和美国物理学家携手的超级神冈项目中，探测器的水中加入了稀土金属钆。钆的存在将使探测器能够明确区分超新星产生的两种不同类型的中微子：一种中微子在探测器内产生的闪光沿任意方向传播。但另一种中微子产生的闪光则直接指向中微子飞来的方向。

能够实时区分这两者意味着超级神冈的软件能迅速计算出天文学家应该将他们的望远镜对准哪里——角度误差小于3度。中畑说：“有了这些信息，超级神冈就是世界上确定超新星方位的最佳探测器。”

这个超新星预警系统名为SNWatch，能提醒高级合作成员注意可能出现的观测机会。同时，它会在探测器深邃的地下大厅和控制室拉响警报。如今在普林斯顿大学担任物理学家的Sara Sussman在2017年读本科时曾在超级神冈工作过一段时间，亲身体验过这个预警系统。在她第一次担任超级神冈控制室的值班员时，警报突然响了起来，当时Sussman并不知道这是一次演习。她说：“我永远都忘不了那一刻。”

就在不久前，超级神冈的流程还要求在发现超新星的情况下，一个资深团队将召开紧急会议判定信号的可信度，以及是否将消息对外发布。但从去年12月开始，该合作组取消了任何人为干预的必要性。中畑说，如果出现中微子雨，SNWatch将在5分钟内向天文学家发出自动警报，并告知该事件在天空中的坐标。他还说，未来对软件的优化能将这一时间缩短到1分钟。

这将与发现SN 1987A时发布消息的方式相去甚远。Shelton当时工作的智利拉斯坎帕纳斯山顶甚至没有电话线，它的无线电话也很少能用。为了提醒其他研究人员注意刚刚出现的天文奇观，天文台的工作人员不得不驱车到最近的城镇（车程有两个小时）发电报。

时刻戒备

中微子预警系统并不新鲜：另一个中微子预警系统已经存在了近20年。这个名为超新星早期预警系统（SNEWS）的网络关联了超级神冈和其他几个中微子天文台，包括嵌入南极洲一立方千米冰层中的光传感器阵列IceCube，以及沉潜在地中海的类似阵列KM3NeT。美国和中国目前正在建设的大型中微子探测设施预计将在未来几年加入，日本也在建设顶级神冈（Hyper-Kamiokande），它将是超级神冈的五倍大。顶级神冈探测器的联合发言人Francesca Di Lodovico说：“如果一颗超新星在银河系中心爆发，我们预计会探测到54000-90000个中微子。”

SNEWS的主要目标是通过结合不同来源的信号提高检测的可信度——即使单个信号看起来可信度不高也不要紧。每个探测器都有一个软件能将任何异常活动告诉SNEWS的中央服务器。只有当两个不同地理区域的中微子探测器在10秒内都探测到中微子活动猛增时，SNEWS才会向天文学家发出警报。Habig说：“就好比说，如果分别位于日本和意大利的两台探测器同时发现了信号，这应该不太可能是某种随机活动造成的。”

在日本飞驒近郊的超级神冈探测器内，一支研究团队借助船艇开展工作。来源：Kamioka Observatory/Institute for Cosmic Ray Research/The University of Tokyo

就在SN 1987A使研究人员认识到快速发布中微子预警很重要的几年之后，Scholberg和Habig便开始从事关于SNEWS的工作。当时的神冈-II还没有实时报告系统。中畑和平田被安排寻找爆发事件后的超新星中微子；他们打印出探测器好几天分量的原始数据——几百页的连续打印纸——并用肉眼寻找信号点。

自从SNEWS在2005年上线以来，它还没发出过任何预警。哈佛大学的天文学家Robert Kirshner说：“你不得不佩服他们的毅力和耐力。他们知道自己是对的，也知道这很重要——但是他们的付出还没有得到多少回报。”

眼下，SNEWS即将开始其第一轮重大升级，称为SNEWS 2.0[3]。升级的一个目标是今后能根据置信度较低的超新星中微子观测发现来预警。各个天文台过去对发出预警这件事很保守，并希望避免发布任何错误的预警。但是近年来，整个科研氛围发生了变化，研究人员开始乐意发布置信度低的预警，以防万一。

Habig说：“人们的态度发生了180度大转弯。”这种转变一定程度上是由引力波天文学的出现带来的，它每周甚至每天都会产生信号，而许多天文学家会使用普通望远镜跟进这些信号。这样一来，你就可以透过不同的天文现象来研究同一个天文事件，这种新潮流被称为多信使天文学（multi-messenger astronomy）。

SNEWS 2.0的另一项创新是，当多个天文台记录到同一场中微子雨时，它将比较粒子到达的精确时间，并利用这些信息来三角定位发射源。Habig表示，虽然定位精度远不如超级神冈本身，但三角测量给出定位的速度更快。

亮度过高

当年Shelton发现SN 1987A时，Bouchet正好也在正确的时间出现在了正确的地点。那个时候，他一直在位于拉西亚的欧洲南方天文台工作，利用那里的特殊设备，他能在白天对恒星进行红外测量。这意味着即使天空中的日光淹没了恒星发出的可见光，Bouchet也能继续测量超新星的亮度。但是Bouchet使用的这个望远镜已经退役了，目前的现代天文台并无合适的设备来进行昼间红外测量。

Bouchet说，更糟糕的是，很多大型天文台已经将较小的可见光望远镜退役，专注于最大、最灵敏的设备。如果要观测一个高亮度的天文事件，这些设备可能毫无用处。英国华威大学的天文学家Danny Steeghs则比较乐观。他说，得益于多信使天文学的崛起，“小设备天文学”已经出现了复兴。“现在我们有了新一代的定制程度更高、更小的望远镜。”Steeghs说，如果真的出现了超新星爆发，“我们可能会错过最开始的阶段，但我相信每个人都会发挥主观能动性。”Steeghs是引力波光学瞬态观测器的负责人，这个系统可以迅速扫描大片天空来追寻可能与引力波来源相关的光线。

“即使遇到非常明亮的天文事件，天文学家也能聪明地找到办法。”Las Cumbres天文台的高级科学家Andy Howell说。Las Cumbres天文台位于加州圣巴巴拉近郊，有一个覆盖了全球天空的自动化望远镜组网。“我们可以全天候地观测超新星，因为我们总有处于黑暗中的望远镜。”

为了观测超亮的天体，天文学家可能会使用一些技巧，比如进行短曝光，或者将望远镜的反射面部分涂黑，使其反射的光线减少。但是最关键的任务之一——观测超新星的亮度并追踪它随时间的变化——将很难达到足够的精度。天文学家一般通过校准来测量一颗恒星的亮度，具体做法是将其的亮度与同一视场中另一个我们熟悉的天体进行比较。但是，当研究对象如此明亮，以至于在同一次拍摄中无法看到其他恒星时，校准就很困难。

Bouchet表示，如果专业的天文学家遇上了困难，还有一群训练有素的天文学爱好者可以救场。总部设在马萨诸塞州的美国变星观测者协会（AAVSO）将调动天文爱好者的力量，他们中的很多人都很乐意参与这种项目。帮助安排观测任务、已在AAVSO工作40年的天文学家Elizabeth Waagen说：“他们都愿意加入——有些人几分钟内就答应了。”

Arto Oksanen说：“我们这群人无处不在。”Oksanen是住在芬兰于韦斯屈莱的IT专业人士，也是业余天文领域的名人。“无论什么时间，总有一些人能在晴朗的夜空下进行观测。”Oksanen是一个观星者俱乐部的主席，这个俱乐部在赫尔辛基以北约300公里处建造了一个远程操作天文台，并配备了一台40厘米口径的反射望远镜和一个自动化圆顶。

即使更小的望远镜也能对非常明亮的超新星爆发进行观测。Oksanen说，假如该天体非常明亮，并且在芬兰的天空中可见，他可能首先会用他的尼康数码单反相机拍照。对于超新星爆发来说，时间就是一切，即使这种粗糙的方法也能记录下关于爆发亮度变化的宝贵信息。

不过，俄勒冈州本德市的天文爱好者Tom Calderwood认为，很少有严肃的天文爱好者为可能出现的超新星爆发做好了应急准备。他说：“天文爱好者绝对应该坐下来好好想想，他们能为此做些什么。”

1987年的那颗超新星一夜之间改变了许多人的一生。Shelton决定攻读天文学博士学位。Bouchet把接下来一年的大部分时间都花在了智利的山顶上，到今天还一直在研究这颗超新星和它的残余。Kirshner也是如此，他一直在参与寻找SN 1987A的中子星残余。很快，NASA不久前发射的詹姆斯·韦布太空望远镜就能帮他一个大忙了——韦布望远镜或许能探测到来自中子星残余的红外辐射，这些辐射能穿过笼罩在周围的星际尘埃。中畑当时的导师、已故的小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）因其借助神冈-II探测器完成的工作在2002年获得了诺贝尔物理学奖，他的得奖与探测到那11个来自超新星的中微子密切相关。

Waagen说，很多年轻人都能将他们对天文学——或是整个科学——产生兴趣的时间追溯到某个特定的日子，那一刻“一些非比寻常的事件激发了他们的想象力，改变了他们的人生”。下一次超新星爆发也将改变很多人的生命，她说，“它将以一种新的方式将这些人的命运与天空联系起来。”

“到时候将是一片沸腾，”波士顿大学粒子物理学家Ed Kearns说，“我不知道到底会发生什么，因为这当中有很多人性因素的影响。”1987年之后还没有检测到任何超新星中微子，但爆发随时可能发生，他说，“每一年都是新的一年，每一天都是新的一天，都有机会出现超新星。”

参考文献：

1.Rozwadowska, K., Vissani, F. & Cappellaro, E. N. Astron. 83, 101498 (2021).

2.Murphey, C. T., Hogan, J. W., Fields, B. D. & Narayan, G. Mon. Not. R. Astron. Soc. 507, 927–943 (2021).

3.Al Kharusi, S. et al. N. J. Phys. 23, 031201 (2021).

原文以A supernova could light up the Milky Way at any time. Astronomers will be watching为标题发表在2022年2月21日《自然》的新闻特写版块上