一场超新星爆发，就能点亮整个银河系。届时，天文学家必然会持续关注——银河系内的恒星如果发生超新星爆发，亮度就会超过月亮。研究人员都在竞相为这场宇宙烟火表演做准备。

在这张欧洲南方天文台施密特望远镜拍摄的狼蛛星云照片中，中间的亮点就是超新星1987A

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

上一次发生这样的事件是在1987年，中畑雅行还刚刚进入科学界。当时，一个明亮的光点突然出现在南方天空。这个现在被称为SN1987A的事件，是人类步入现代文明后距我们时间上最近的一次超新星爆发。毫无疑问，SN1987A当时收获了全世界媒体的关注目光，并且也推动了天体物理学的巨大进步。

那个时候，中畑雅行还是个研究生，在位于日本飞驒市附近的神冈地下天文台工作，使用的观测工具就是当时世界上最重要的中微子探测器之一“神冈二号探测器”。SN1987A事件发生时，中畑雅行和另一名研究生比良田惠子（Keiko Hirata）发现，探测器接收到了大量来自超新星的中微子——这是人类第一次探测到来自太阳系之外的中微子。

如今，已是东京大学物理学家的中畑雅行已经为下一次超新星爆发做好了准备。他目前是全世界最大中微子实验“超级神冈中微子探测实验”的负责人。2021年年末，“超级神冈探测器”（“神冈二号探测器”的继任者）升级了它的超新星预警系统，于是，神冈地下天文台的计算机就能几乎实时地判断出是否接收到了来自超新星的中微子，并且还能自动向全世界的传统望远镜发出提醒。

天文学家对下一次超新星爆发事件翘首以盼。“超新星爆发会让所有人都兴奋不已。”明尼苏达大学德卢斯分校天体物理学家亚力克 · 哈比格（Alec Habig）说。神冈二号探测器以及其他中微子探测器发出的提醒会立刻导致自动运行中的望远镜——在很多情况下，望远镜的观测并不需要人为干预和操作——转向那颗垂死的恒星，以获取来自超新星的第一缕星光。当然，在那之前，来自这颗超新星的无数中微子已经先行抵达地球。

不过，巴黎萨克莱大学天体物理学家帕特里斯 · 布歇（Patrice Bouchet）说，等到超新星的星光真的抵达地球时，等待天文学家的可不只是兴奋与喜悦。当年，布歇在智利拉西拉天文台对SN1987A做出了重要观测。他表示，超新星的亮度会超过满月，即便是白天也肉眼可见，这样的事件可能会让专业天文学家使用的望远镜中的那些极为灵敏但又非常脆弱的传感器失效。

另外，布歇当年观测超新星时使用的部分仪器已经不在了。“如果船底座η或猎户座α爆炸了，”布歇拿这两颗知名恒星做例子，“我们不可能像观测SN1987A那样观测它们。”科研人员肯定会手忙脚乱地调整设备，天文爱好者反而能在观测中发挥重要作用，因为他们手上的望远镜更小且没有那么脆弱，而且很多天文爱好者都是观测明亮天体方面的好手。

不过，超新星爆发显然能让天文学家获益良多。虽然人类细致观测的超新星爆发事件少之又少，但这类事件是我们认识恒星内部通过核聚变过程“锻造”的化学元素如何播撒到全宇宙的关键。另外，恒星爆炸事件本身也会合成其他方式无法合成的化学元素。中畑雅行和他的同行们期待捕获的中微子，为我们研究这种在爆炸恒星内部发生的极端物理学过程打开了一扇绝无仅有的窗户，并且可能促使我们做出有关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，位于智利的加拿大拉斯坎帕纳斯天文台望远镜操作员伊安 · 谢尔顿（Ian Shelton）意外地发现了一个奇怪的光点。谢尔顿每天都要用望远镜拍摄大麦哲伦星云的照片——虽然名字带个“大”，但这其实是一个围绕银河系运动的小星系，在南半球裸眼就能看到——这天，他在曝光照片时发现多了前面提到的那个光点。

谢尔顿立刻意识到这肯定是个大事件。于是，他立刻走到户外，看向天空，果然发现了一颗此前从未见到过的明亮星星。上一次有人类用肉眼看到这类天体还要追溯到1604年，当时，德国天文学家约翰内斯 · 开普勒（Johannes Kepler）观测并记录了类似天文现象。

超新星爆发是宇宙中牵涉能量最多的事件之一，它们的光芒能一连持续数周乃至数月。在某些极为罕见的案例中，一颗超新星释放的光芒甚至超过一整个星系。超新星爆发的类型有很多，但最常见的发生在超大质量恒星——它们的质量是我们太阳的8～140倍——的生命尾声阶段。

恒星的供能机制就是内部的核聚变反应，而核聚变需要原料，等到原料耗尽时，大质量恒星就形成了一个由铁和镍（等离子态）组成的惰性核。此时，恒星的外层开始向内坍缩，并最终引发核心部分的坍缩。在几毫秒的时间内，恒星核心的密度就变得极高，质子和电子结合形成中子。于是，恒星核心部分的密度一下就提高了几个数量级，因为中子的体积要比等离子体物质小得多。这还没完，中子还会进一步收缩，形成一个密度更高的球体——密度高到物理学允许的极限，并且最终导致恒星核心形成一个哈比格所说的“原中子星”。

每形成一个中子就会释放一个中微子，因此，恒星核心部分在坍缩时就会突然爆发出大量中微子。不过，这还只是这场能量倾泻事件的开端。“恒星的其余部分会像雨点那样坠落到恒星核心。”哈比格说。这些物质在如此强的引力场中坠落数千乃至上万千米，最终触及恒星此时坚硬无比的中子内核，之后反弹回去，形成向外扩展的冲击波。这种冲击波猛烈异常，足以将恒星的其余部分撕得粉碎，最后只留下核心部分的中子星，质量大约是我们太阳的2倍。

在这张哈勃空间望远镜于2011年拍摄的照片中，SN1987A周围环绕着数个发光环

在坍缩期间，各种物质在下落过程中释放的能量会击碎基本粒子——这就和不断将能量转换成各类新粒子的高能对撞机中发生的过程一样。“在那个极其致密、极其灼热的环境中，任何过程都可能会出现。”杜克大学天体物理学家凯特 · 斯科尔伯格（Kate Scholberg）说。

那里的大部分粒子无处可去，只能不断地相互撞击，但有一种粒子是例外。撞击产生的中微子有很大概率在不与任何物质接触的情况下直接逃逸到恒星之外的空间中。于是，在10秒或更长一点的时间里，恒星坍缩产生并向外喷发了大量中微子。距研究人员估计，SN1987A产生的中微子大约有1058个。

到目前为止，散逸的中微子就是超新星“挥霍”能量的最主要方式。虽然冲击波可能要花上几个小时才能突破恒星外层从而被我们探测到，但中微子几乎可以以光速直接逃离恒星。中心坍缩的超新星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，原来恒星物质中的大部分都进入了星际空间。它们会在接下去的漫长时光中推动下一代恒星和行星的形成。实际上，我们的太阳系有可能就是在大约50亿年前的时候通过这种方式形成的。

核心部分也留不住

根据最新的估算，平均来说，每个世纪都会有一两颗银河系内的恒星出现核心坍缩现象。然而，根据历史资料，人类目前只记录到了5颗裸眼可见的超新星，而且学界如今认为其中只有两颗发生了核心坍缩。造成理论与现实差异的因素有很多。首先，如果集中在坍缩核上的物质质量足够多，那么就会形成黑洞，当然也就不会发出光了。其次，即便超新星爆发事件真的发生了，恒星遗骸以及喷发出来的物质也有可能被银河系中厚重的星际尘埃遮挡。第二种情况应该是更为主要的原因。

幸运的是，中微子能够逃出恒星核心依赖的物理学机制也使得这种粒子能够畅通无阻地穿过布满尘埃的银河系中心。这就意味着，只要出现了超新星爆发事件，无论其具体情况如何，地球上的中微子探测器都能接收到大量中微子，从而记录到究竟是哪颗恒星发生了坍缩，这是通过其他方式无法做到的。

那么，地球上的中微子探测器究竟能接收到多少来自超新星爆发的中微子呢？1987年的时候，当时世界上最大的中微子探测器之一“神冈二号探测器”用3 000吨水捕捉到了11个中微子。美国和俄罗斯的中微子探测器也捕获了几个中微子。如果今天发生类似的事件，于1996年投入运营、拥有5万吨水的“超级神冈探测器”应该会捕获至少300个中微子——如果超新星爆发在我们银河系内，而非在大麦哲伦星云内，那么应该还会更多。

“超级神冈探测器”从2018年起便开始了升级。这次升级大大提升了它研究超新星的能力。尤为重要的是，由日本和美国物理学家组成的“超级神冈中微子探测实验”合作小组往探测器的水中加入了稀土金属钆。有了钆之后，探测器就能清楚地区分两类超新星产生的中微子了。其中一类会在探测器内产生会向随机方向传播的闪光，但另一类产生的闪光会直接指向中微子运动的方向。

能够实时区分这两类中微子意味着“超级神冈探测器”的软件可以迅速计算出天文学家应该让望远镜对准的方向，误差不超过3°。“正是因为能够区分两类中微子，超级神冈探测器现在成了能够给出超新星位置的全球最佳中微子探测器。”中畑雅行说。

此外，“超级神冈探测器”还搭载了一个名为“SNWatch”的超新星提示系统，用于提醒合作团队的高级成员可能探测到了超新星爆发产生的中微子。与此同时，这个系统还会触发探测器所在的洞穴状地下大厅以及控制室的警铃。2017年，如今的新泽西普雷斯顿大学物理学家萨拉 · 萨斯曼（Sara Sussman）在“超级神冈探测器”工作组做研究生，她就亲身经历了一次这样的超新星警示。那是萨斯曼第一次在“超级神冈探测器”的控制室轮班，结果警铃突然大响——她不知道，这其实只是一次演习。“我这辈子都忘不了那个时刻。”她说。

最近，“超级神冈中微子探测实验”合作小组还制定了一项规定：当探测器提示发现超新星时，合作小组的领导们应该召开紧急会议判断接收到的信号是否真实，并且决定是否要向外界公布这个消息。从2021年12月起，合作小组剪除了所有不必要的人为干预流程。中畑雅行表示，如果探测器接收到了大量中微子，SNWatch会在5分钟内自动向天文学家发出警示以及超新星事件的坐标。他还补充说，软件系统的后续升级还会将这个反应时间缩减到1分钟。

这与SN1987A超新星爆发事件发生时的消息传递方式天差地别。当年，谢尔顿所在的拉斯坎帕纳斯天文台位于智利山顶，连一根电话线都没有，配备的卫星电话也常年处于失灵状态。为了将这个刚刚出现的科研宝库告知其他天文学家，天文台的员工只好驱车两小时去离天文台最近的小镇发电报。

时刻警戒

中微子警示系统并不是什么新鲜事物，早在差不多20年前就出现了。超新星早期预警系统（SNEWS）就是一个由“超级神冈探测器”以及其他中微子天文台构成的中微子预警网络。除“超级神冈探测器”外，这个系统还包括镶嵌在南极一立方千米冰块中的光感器阵列IceCube，以及埋藏在地中海水下的类似阵列KM3NeT。另外，中国和美国目前在建的大型中微子设施也有望在未来几年中加入这个网络。日本还在筹建规模6倍于“超级神冈探测器”的“超超级神冈探测器”。“如果银河系中心发生超新星爆发事件，我们期望借助这个探测器，探测到54 000～90 000个中微子。”超超级神冈探测器项目联合发言人弗朗西斯卡 · 迪罗多维科（Francesca Di Lodovico）说。

SNEWS设立的初衷是期望将各类相关信号（无论有多么弱）整合到一起以提高探测结果的可信度。SNEWS网络内的各大探测器都安装了一个与SNEWS中心服务器相连的软件，一旦监测到了异常中微子活动，就会向后者汇报。只有当处于不同地区的两部中微子探测器在10秒间隔内都监测到了中微子活动突然飙升，SNEWS才会警示天文学家，可能发生了超新星爆发事件。“如果位于日本和意大利的两家独立实验室都监测到了同一种现象，那就不太可能是随机现象和噪声。”哈比格说。

“超级神冈探测器”位于日本飞驒市附近，研究团队在其内部工作时需要划船

20世纪90年代，也就是SN1987A让科研人员们意识到及早警示中微子数量上升的重要性之后数年，斯科尔伯格和哈比格开始参与SNEWS的工作。当时，“神冈二号探测器”还没有现场报告系统。中畑雅行和比良田惠子的任务就是在超新星爆发结束后寻找爆发产生的中微子。为此，他们要把探测器一连数天的原始数据打印出来——那可是成百上千页满满当当的文件——然后用肉眼逐行检视，寻找接收到的中微子数量的高峰。

SNEWS网络在2005年正式启用，但到目前为止连一次警示都没发出过。“我们不得不钦佩这些研究人员的坚韧与毅力，”哈佛大学（位于马萨诸塞州剑桥）天文学家罗伯特 · 克尔什纳（Robert Kirshner）说：“他们知道自己做着正确且重要的事，但到目前为止，他们还没有获得多少回报。”

现在，SNEWS即将推出它的第一次重大升级，也就是SNEWS2.0。升级的一大目标就是让系统在探测器可能捕捉到超新星产生的中微子但可信度没那么高时，也发出警示。过去，各大中微子天文台都对发出警示持保守态度，希望避免任何可能的误报。不过，在最近几年里，这种氛围发生了变化，科研人员现在乐于交换低可信度的警示消息，目的当然是以防万一。

“研究人员的态度已经发生了180°大转弯。”哈比格说。导致这种变化的部分原因，就是引力波天文学的蓬勃发展，这个领域每周甚至每天都会产生需要许多天文学家使用普通望远镜跟踪观测的目标信号。于是，我们就可以从各种天文学现象的角度研究同一事件。这是一股朝着多信使天文学发展的趋势。

SNEWS2.0的另一大创新是，当多个中微子天文台都接收到大量中微子时，SNEWS2.0会通过对比这种粒子抵达各大天文台的时间差异，运用三角测量法追溯目标源。哈比格说，这种溯源方法在精度上远不及“超级神冈探测器”这一个探测器提供的结果，但通过三角测量法溯源在时效上最后可能会快得多。

光线太多

当谢尔顿在智利用肉眼看到SN1987A时，布歇在正确的时间出现在了正确的地点。布歇当时一直在位于拉西拉的欧洲南方天文台工作，借助那儿的特殊设备，他能在白天对天体做红外波段的观测。这意味着，即便各种天体发出的可见光都淹没在了白昼的天空之中，布歇也能继续测量超新星的亮度。不过，布歇当年使用的望远镜现在已经退役，而且现代天文台都没有配备支持做日间红外波段观测的设备。

另外，布歇还补充说，更糟糕的情况是，目前，大多数大型天文台都退役了它们原本配备的小口径可见光波段望远镜，只专注于那些灵敏度最高的大型设备，但这些高灵敏度设备在观测那些明亮天体时就没什么用了。不过，英国华威大学天文学家丹尼 · 斯蒂斯（Danny Steeghs）对此乐观得多。他表示，部分受到多信使天文学发展的影响，天文学界近年来有“小型望远镜”复兴的趋势。“现在，我们拥有了新一代功能性更强的小型望远镜，”斯蒂斯说，“超新星爆发时，我们的确有可能错过最初的那个阶段，但我敢肯定所有人都会兴奋起来，拿出看家本领，尽可能仔细地观测。”斯蒂斯是“引力波光学瞬态观测仪”的负责人，这个系统可以快速覆盖一大片天区以寻找可能与引力波相关的光源。

“即便是那些真的很亮的天体目标，聪明的天文学家也会找到合适的观测方式。”拉斯克鲁塞斯天文台高级科学家安迪 · 霍维尔（Andy Howell）说。拉斯克鲁塞斯天文台位于加利福尼亚圣巴巴拉附近，管理着一张由诸多自动望远镜构成的观测网络，这些望远镜分工合作，观测范围就能覆盖整个天区。“我们可以全天候观测超新星，因为我们管理的望远镜总有处于黑夜的。”

要想观测极其明亮的天体，天文学家就得使用一些小技巧，比如短时间曝光或者将望远镜镜面部分涂黑以削减其反射的光。不过，最为重要的观测目标之一——测量超新星的亮度及其随时间的变化——很难做得十分精确。天文学家通常通过校准的方式测量天体亮度，也就是将目标天体的亮度与同一区域内已知亮度的著名天体作比较。然而，如果目标天体实在太过明亮，以至于遮掩了其他所有天体的光芒，那么这种方法显然就无效了。

布歇说，如果天文学家真的遇到了困难，那也没有关系，因为有一大群严肃、认真的天文爱好者或许能帮上忙。总部设于马萨诸塞州坎布里奇的美国变星观测者协会可以把大量天文爱好者组织起来——要知道，有不少天文爱好者乐于做这样的事。“他们绝对不会拒绝这样的邀请——有一些甚至会在得知消息几分钟后就启程前来活动现场。”已经在美国变星观测者协会工作了40年、经常组织天文爱好者活动的天文学家伊丽莎白 · 瓦根（Elizabeth Waagen）说。

“哪里都有天文爱好者。”居住于芬兰于韦斯屈莱的天文爱好者界名人、IT专家阿托 · 奥科桑森（Arto Oksanen）说，“所以，无论什么时候，都肯定有天文爱好者能在晴朗的天气下观测目标。”奥科桑森是一家天文爱好者俱乐部的主席，这家俱乐部的成员们在赫尔辛基北面大约300千米的地方自行建造了一座可以远程控制的天文台。这座天文台拥有可自动开启、关闭的穹顶，内设一架40厘米口径的反射式望远镜，完全由俱乐部成员负责管理、运营。

不过，即便是口径更小的望远镜也足以观测明亮的超新星了。奥科桑森说，如果目标确实很亮的话——比如裸眼就能在芬兰天空中看到——那么他的第一反应大概率是用尼康数码单反直接拍摄照片。要知道，对于观测超新星来说，时间是非常重要的因素，只要操作及时，即便是相机拍摄这种非常粗糙的方法，也能记录下有关超新星亮度变化的重要信息。

另一方面，居住在美国俄勒冈本德的天文爱好者汤姆 · 考尔德伍德（Tom Calderwood）则表示，鲜有天文爱好者为了可能出现的超新星而制定相应的应急计划。“毫无疑问，天文爱好者圈子完全有必要坐下来，好好想想做哪些准备。”考尔德伍德说。

SN1987A改变了很多人的人生。谢尔顿在目击超新星后决定继续攻读天文学博士。布歇则把这次超新星爆发之后一年的大部分时光都花在了智利山顶，并且自此之后一直在研究这颗超新星及其遗迹。克尔什纳的情况与布歇相似，也是在这次事件之后一直研究SN1987A的遗迹。值得一提的是，克尔什纳很快就可能借助2021年年底发射升空的美国宇航局詹姆斯 · 韦布空间望远镜进一步研究这颗超新星的性质，因为这架望远镜能够探测SN1987A的红外辐射。此外，中畑雅行当时的研究生导师、已故物理学家小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）也凭借通过“神冈二号探测器”取得的研究成果（主要是探测到了那11个超新星中微子）分享了2002年诺贝尔物理学奖。

瓦根说，很多从事天文学研究的青年学者都还记得他们对天文学产生兴趣的那一天——当然，这对其他科学领域也同样适用——“总有一些特殊事件勾起了他们的想象，并就此改变了他们的人生”。瓦根还表示：“毫无疑问，下一次地球可见的超新星爆发也同样会改变很多人的人生，会以一种崭新的方式把他们同天空联系在一起。”

“那样的事件会很令人兴奋，”波士顿大学粒子物理学家埃德 · 卡恩斯（Ed Kearns）说，“我不知道那时究竟会发生什么、会产生何种影响，因为这还牵涉诸多人性因素。自1987年后，我们还没有探测到哪怕一颗来自超新星的中微子，但情况随时可能改变。每一年都是崭新的一年，每一天都是崭新的一天，都完全有可能在天空中看到明亮的超新星。”

资料来源 Nature

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本文作者达维德·卡斯特尔维奇（Davide Castelvecchi）是《自然》杂志高级记者，主要报道物理学、化学、宇宙学、数学和计算机科学等领域内容