等待近距超新星
Charles Seife 文    Shea 译

　　现在科学家们正在等待银河系中的下一次超新星爆发，与此同时地面上的仪器设备也严正以待来记录那些极为重要的数据。不过这可能还要等上几十年的时间。

　　1987年2月23日，突然在深埋于地下的水箱中出现了一系列的闪光，这是对宇宙中猛烈爆发的第一次预告——在17万光年远的大麦哲伦云中有一颗恒星爆发了，其间爆炸产生的碎片和能量肆意横飞。甚至在天文学家看到这一爆发的火光之前，当位于美国和日本的中微子探测器探测到了20次亚原子粒子的闪光时，粒子物理学家就已经知道一颗恒星死亡了。在这具有重要意义的13秒钟内，中微子物理学家变成了天文学家。

　　这些中微子为超新星的爆发机制提供了关键的信息。但是当下一次近距超新星出现时，中微子会使我们对超新星的认识产生一场革命。现在一大批的观测设备已经就位，就等下一次的超新星出现了。全世界的中微子天文台将探测由超新星所产生的中微子，而引力波探测器则将监视由于恒星死亡和黑洞诞生所引发的时空涟漪。许多科学家小组也时刻处于高度戒备，一旦有超新星出现它们可以在最短时间内做出反应。但是等待也许是漫长的，未来几十年他们的设备可能不会接收到任何的信号，或者在近距超新星出现之前，他们的科学生涯就已经结束了。“超新星监测中的一个基本问题就是，相对于一个人的科学生涯来说，超新星的发生率太低了，”加州大学洛杉矶分校的物理学家大卫·柯莱（David Cline）说。

　　中微子物理学家和引力波天文学家更青睐相对比较近的超新星——位于银河系或者近距星系中。如果距离太远，引力波会变得很弱，同时中微子的数量也会变得很少，即使是最好的探测器也无法探测到它们。尽管每年能在光学波段发现十几个超新星，但是科学家估计近距超新星每个世纪平均只有3个。30年的等待对于仅有10或者20秒的观测数据而言是相当漫长的，但是就是这几秒钟却包含了超新星的大量信息，是通过其他渠道所无法获得的。

  

[图片说明]：近距超新星1987A。版权：HST/STSCI/NASA。

　　当大质量恒星核心的核燃料耗尽时，它就会爆发成为一颗超新星。当恒星中央的核聚变停止时，恒星的核心在引力的作用下会猛然向内坍缩。这一坍缩会造成星体的爆炸，恒星的外部包层会被抛出，并且释放巨大的能量。在爆发的遗迹中会留下一颗中子星或者黑洞。尽管科学家已经对超新星有了一个比较好的认识，但是一些细节仍然不清楚。

　　“其中一个最大的问题是超新星究竟是怎样爆发的。在计算机模拟中，还没有成功的模拟出爆发过程，”费米国家加速器实验室的物理学家约翰·彼康（John Beacom）说，“也就是说在模拟中超新星不会爆发，激波向外传播，将包层向外推出，但是之后包层又会回落。在这中间我们缺少了一些东西。”一些并非隐藏在超新星光芒中的东西，因为这些光是在爆发发生之后一段时间才产生的。

　　在超新星爆发中，由核心坍缩所产生的光子会被外部包层所俘获，直到激波将其撕开。“光子向外传播需要时间，”彼康说。另一方面，由坍缩所产生的中微子却和包层物质几乎不发生相互作用，可以畅通无阻的向外传播，即使是极为稠密的核心也无法阻挡中微子的去路。“大约10秒钟它们就可以脱离恒星了，”彼康补充道。

　　这意味着中微子比光子携带了更多的坍缩核心的早期信息，因为超新星爆发99%的能量被中微子带走了。但是困难在于很难探测到它们。

　　使得中微子成为超新星早期动力学演化指示器的特性，同时也使得我们很难探测到它们。它们可以几乎没有任何相互作用地穿过其他物质，而没有相互作用就无法探测，就像尽管在超新星1987A中有百亿亿记的中微子打到两个中微子探测器上，但是仅有极其微量的被探测到。现在，更灵敏的探测器可以使得在相似的事件中所记录到的中微子数达到几百个。

　　不过，按照洛斯阿拉莫斯国家实验室的物理学家萨基·瑞迪（Sanjay Reddy）的说法，即使是在1987A中记录到的20个中微子也具有重要的意义。他说，超新星中出现的中微子流“持续了超过几秒钟的时间，而不是呈现出极短时间的爆发，这支持了中微子在超新星中起到重要作用的观点”。当中微子穿过我们一无所知的超高密度的坍缩星物质，以及其外部密度较低的包层时，它会发生散射并且减速，同时把能量传递给物质。

　　一般来说，中微子逃逸时的能量，以及更重要的中微子的逃逸时间，可以反映出它们所穿过的物质的特性。“相关的观测很简单，只要记录中微子流持续的时间就可以了，”瑞迪说，“如果你关注于时间结构，那么只要几秒钟的时间，你就会对那些实验室里无法制造的高密度物质有一定的了解了。”中微子流量的涨落或者是突然起伏还可以反映出核心坍缩的动力学过程。“它会告诉我们那些物质是怎样运动的，如果出现脉动或者对流，你可以从观测到的信号中识别出来，”瑞迪说。但是对于他来说，最大的惊喜无疑是中微子流的突然消失，“这将会是超乎寻常的，它将会是第一次我们确切的看到一个黑洞的诞生。”

  

[图片说明]：计算机模拟超新星爆发更像是一种数学游戏，其中还缺少了大量的实际观测。版权：ADAM BURROWS/UNIVERSITY OF ARIZONA。

　　近距超新星爆发也会向中微子物理学家揭示出一些中微子本身的特性。超新星爆发会产生大量各种各样的中微子，其中也包括τ子中微子，由于它的姐妹粒子τ轻子——它在中微子的产生和探测中起到了重要的作用——非常稀少，使得τ子中微子很难被探测到。因此科学家对τ子中微子的特性还不是很了解，例如τ子中微子多久会振荡或者转变成电子中微子，这是目前流行的粒子物理模型中缺少的一环。“令人兴奋的是，你可以从超新星爆发中获取有关中微子振荡的信息，”麻省理工学院的物理学家凯特·索伯格（Kate Scholberg）说，“超新星物理学和中微子物理学可以相互补充。如果你接收到一个信号，那将是极为重要的。”

　　这也就是索伯格及其同事建立超新星早期预警系统（SNEWS）的原因，这一系统可以让科学家尽早地知道全世界的中微子探测器是否探测到了来自超新星的中微子流。日本的超级中微子天文台和加拿大的索德布瑞中微子天文台也是这个正在壮大的预警网络的一部分。当有近距超新星出现时，SNEWS将会立即通知物理学家和天文学家。“我们已经和探测器捆绑在一起了，可以迅速做出反应，”她说。中微子物理学家会快速地确定超新星在天空中的位置，使得光学望远镜和高能卫星在超新星的光芒到达地球之前就能对准目标。

　　中微子天文台并不是唯一等待近距超新星的物理探测设备。新一代的引力波探测，例如美国的LIGO和德国的GEO600，也正专注于发现恒星坍缩以及黑洞的形成。

　　爱因斯坦的相对论预言，大质量恒星的非对称坍缩会产生引力波辐射。尽管现在对对称的超新星坍缩还不甚了解，但他们希望可以探测到银河系超新星的有关现象。“这是我们的目标，”为LIGO计划工作的麻省理工学院物理学家艾瑞克·卡特萨文尼迪斯（Erik Katsavounidis）说，“这依赖于一些假设，但是银河系中出现超新星的大致概率还是可信的。”

　　按照卡特萨文尼迪斯的说法，来自坍缩黑洞的引力波信号可以告诉我们核心旋转的情况，以及超新星的物质（包括中微子）是怎样和何时坍缩以及被抛出的，“通过测量能量对频率的分布可以告诉我们中微子是如何变化的”。

　　另外，由于引力波可以毫无阻碍的穿过高密物质，并且以光速传播，它甚至可以在中微子之前到达地球——标示了超新星的极早阶段，而且精确标定了核心开始坍缩的时间。“中微子的速度很高，但是它们的产生过程还存在着不确定性，”索伯格说，“中微子和引力波之间的时间延迟具有重要意义。”

　　当然下一次近距超新星最关键的时间延迟可能有30年。“我已经在这个领域工作了4-5年，”瑞迪说，“如果未来5-10年没有近距超新星的话，我想我不得不转行了。”如果运气好的话，近距超新星会在超新星猎手淡出之前出现。


出自：Science
发布日期：2004-01-09

2001-2009 火流星工作组制作


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