改編自《中微子獵人：追逐幽靈粒子以解鎖宇宙秘密的驚險之旅》，作者：Ray Jayawardhana，經與大眾科學/Farrar, Straus and Giroux, LLC（美國），HarperCollings（加拿大），Oneworld（英國）安排。版權所有 © 2013 Ray Jayawardhana。
1987年2月24日凌晨，在智利的塞羅拉坎帕納斯山頂，伊恩·謝爾頓決定沖洗當晚最後一張感光板，然後上床睡覺。謝爾頓是多倫多大學聘請的常駐觀測員，他一直在山上擺弄一臺有幾十年歷史的10英寸望遠鏡，用這個小儀器對準銀河系的星系伴星之一——大麥哲倫星雲（LMC）。他從顯影槽中取出感光板，檢查以確保長達三小時的曝光效果良好。然後，一些東西引起了他的注意：在被稱為塔蘭圖拉星雲的熟悉蜘蛛狀特徵旁邊，有一個奇怪的亮點。他想知道這個不尋常的亮點可能是什麼，並推斷這很可能是膠片本身的缺陷。但為了以防萬一，他走出望遠鏡圍欄，來到乾燥的山區空氣中，用自己的眼睛仰望天空。他看到大麥哲倫星雲中有一顆明亮的星星，這顆星星在前一天晚上是看不到的。謝爾頓匆匆跑到山脊上的另一個望遠鏡圓頂，分享了這個訊息。
當他在控制室與天文學家巴里·馬多爾和威廉·昆克爾討論他令人困惑的發現時，智利望遠鏡操作員奧斯卡·杜哈爾德插話說，他幾個小時前休息時也看到了同一顆星星。他們四人一致認為，這顆“新”星必定是一顆超新星，一顆爆炸的恆星，其亮度可以在短時間內超過十億個太陽。已知沒有其他型別的天文物體在亮度上發生如此劇烈的變化，從前一天晚上照片中太暗而無法記錄到可以用肉眼輕鬆看到。這意味著謝爾頓和杜哈爾德在銀河系的衛星星系中發現了一顆超新星。幾個小時後，紐西蘭的一位業餘天文學家獨立地看到了同樣的事情。
關於支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保關於塑造我們當今世界的發現和想法的有影響力的故事的未來。
到上午中旬，世界各地的科學家透過來自興奮的同事的電話和國際天文學聯合會的電報得知了這一發現。“超新星1987A”（它後來的名字）是自近四個世紀前望遠鏡發明以來，在我們的銀河系附近觀測到的第一顆超新星，這一事實讓他們感到高興。
天文學家們蜂擁而至，利用遍佈南半球的一整套光學、紅外和射電望遠鏡，以及宇宙飛船上的X射線和紫外線儀器，來觀察大麥哲倫星雲中正在展開的這一重大事件。這是一段令少數科學家經歷過的瘋狂活動時期。正如一位興高采烈的天體物理學家所宣稱的那樣，“這就像聖誕節一樣。”
對超新星1987A的這些研究為理論學家在超級計算機上藉助複雜模擬而開發的方案提供了廣泛的支援，該方案描述了一顆衰老的巨大恆星如何自我毀滅，其核心坍縮成一個緊密堆積的中子球（稱為中子星）或黑洞，而其噴出的外層則向外擴散，形成一個發光的氣體雲。然而，慶祝活動不僅限於天文學家。對於粒子物理學家來說，對超新星的其他觀測為被稱為中微子的幽靈亞原子粒子的性質提供了重要線索。對1987年超新星的各種研究共同促使人們期待著在我們自己的銀河系中發生類似的恆星坍縮——這一事件可能隨時發生，並且應該回答關於恆星死亡和中微子性質的遺留問題。這一次，中微子獵人可能會是第一個探測到該事件的人。
光子先驅
已故的約翰·巴卡爾當時在新澤西州普林斯頓高等研究院工作，他發現超新星1987A如此令人興奮，以至於他都失眠了。他的興奮是有充分理由的：巴卡爾知道，根據恆星演化的理論模型，在巨大恆星生命末期發生的核坍縮應該會導致大量中微子的爆發，這些中微子會毫不受阻地逃離恆星內部深處的爆炸地點。只有在恆星的外殼爆炸時，才會出現可見的煙火。在聽到超新星1987A的訊息幾分鐘後，巴卡爾和他的兩位同事就開始計算地球上各種中微子探測器應該記錄到多少中微子。他們確定答案應該是幾十個中微子，並在一週內將他們的結論提交給《自然》雜誌，以便他們的預測可以在實際測量之前發表。[編者注：《大眾科學》是自然出版集團的一部分。]
與此同時，實驗物理學家已經開始搜尋世界各地幾個地下探測器記錄的資料。他們記錄超新星中微子的最佳機會是在日本的卡米奧坎德實驗，該實驗由一個四層樓高的圓柱形純淨水箱組成，周圍環繞著1000個光電管，用於記錄中微子與水原子相互作用時產生的光閃爍。未能測量到來自超新星1987A的中微子可能意味著我們對超新星工作原理的理解存在基本缺陷。
果然，令世界各地的科學家感到無比欣慰的是，中微子訊號在資料中清晰地顯現出來，毫無疑問地表明瞭它的來源。卡米奧坎德探測器的光電管在持續幾秒鐘的爆發中捕捉到了11次閃光，這比智利和紐西蘭的天文學家首次用光學方法觀測到超新星早了近三個小時。在地球另一半，位於伊利湖下淺鹽礦中的一個類似的中微子探測器，在與卡米奧坎德完全相同的時間記錄了八次閃光。後來，科學家們瞭解到，位於俄羅斯高加索山脈的巴克桑中微子天文臺的一個基於石油的第三個探測器也記錄了五個中微子。
探測到的二十幾個中微子只是數十億中微子中的一小部分，這些中微子以爆發的形式掠過我們的星球，起源於大麥哲倫星雲中爆炸的恆星的核心。由於所有這三個中微子“天文臺”都位於北半球，而大麥哲倫星雲位於南半球，因此中微子必須從地球的一側穿過另一側，穿過我們星球的內部，然後從下方進入探測器。
探測到總共二十幾個粒子聽起來可能不算什麼。但這些中微子事件的重要性在於，它們多年來一直是數百篇科學論文的主題。超新星1987A是我們首次觀測到來自太陽以外天文來源的中微子。正如俄亥俄州立大學的理論物理學家約翰·比康所說，“中微子讓我們能夠看到一顆巨大恆星在其生命末期的內部，因此我們可以進行天文學家原本無法進行的天體物理學研究。”
超新星中微子的探測，儘管它們很稀少，但也驗證了一顆巨大恆星爆炸方式的一些重要細節。天體物理學家很高興地發現，他們測量的中微子的數量和能量與他們基於爆炸的理論計算的預期一致。由於理論與觀測之間的高度一致性，研究人員得出結論，超新星並沒有透過某種神秘的過程損失能量——例如，透過中微子發射假想的粒子（稱為軸子）或洩漏到神秘的額外維度中。中微子在幾秒鐘內到達，而不是一次爆發，這證實了它們確實如預測的那樣，需要一些時間才能從極其稠密的收縮核心中出來。
此外，這些測量結果還揭示了中微子本身的性質線索。由於中微子到達地球的時間不比超新星被光學照片捕捉到早三個小時，因此它們一定是以非常接近光速的速度傳播的。較輕的粒子比重的粒子傳播得更快，因此科學家們推斷中微子的質量一定非常小。事實上，根據來自超新星1987A的粒子的到達時間，科學家們能夠證明，儘管它們數量龐大，但中微子不太可能構成滲透宇宙的神秘“暗物質”。更重要的是，當2011年媒體爆發關於中微子傳播速度快於光速的狂潮時，一個強有力的反駁論點是基於對1987年超新星的觀測。如果這些粒子確實以實驗最初報告的速度傳播，那麼來自超新星1987A的中微子爆發應該比光學光早幾年到達地球，而不是僅僅提前幾個小時。
準備就緒
超新星1987A激起了天體物理學家的胃口，他們渴望瞭解垂死恆星的內部運作。“想象一下，如果我們能夠探測到來自附近超新星的1000箇中微子，我們將能學到什麼，”洛斯阿拉莫斯國家實驗室的亞歷克斯·弗裡德蘭德思索道。如此驚人的事件不僅能讓我們精確地確定爆炸進行時的事件順序，而且還能明確地告訴我們這顆不幸的恆星發生了什麼。粒子物理學家也對來自超新星的中微子感興趣，因為它們提供了一個難得的機會來了解這些難以捉摸的粒子在實驗室中無法複製的極端條件下的行為方式。
兩組科學家要實現他們的目標，都需要我們銀河系內發生一次核心坍縮超新星爆發。令人驚訝的是，自 1604 年以來，銀河系中就沒有觀測到超新星爆發。當時，包括德國數學家約翰內斯·開普勒在內的天文學家在蛇夫座中發現了一顆“新星”。這顆超新星在最亮的時候，甚至在白天都能看到。就在三十年前，即 1572 年，包括傳奇的丹麥天文學家第谷·布拉赫在內的歐洲觀測者也看到了另一顆。目前的證據表明，這兩顆超新星都是由一顆被稱為白矮星的恆星殘骸爆炸造成的。白矮星要麼吞噬了來自伴星的物質，要麼與另一顆白矮星合併，而不是由一顆大質量恆星在其生命末期核心坍縮造成的。
根據對其他星系的觀測，今天的天文學家估計，銀河系中每世紀至少會有幾顆大質量恆星發生爆炸。即使星際物質阻擋了來自銀河系遙遠區域的超新星的光線，它也不會阻礙中微子的透過，因此探測到中微子爆發將揭示銀河系中任何地方的大質量恆星的死亡。我們已經運行了大約四分之一個世紀的靈敏中微子探測器，如果我們的估計是正確的，那麼我們現在隨時可能觀測到銀河系超新星爆發。“這將是一生一次的機會，所以我們最好做好準備，”慕尼黑馬克斯·普朗克物理研究所的喬治·拉菲爾特說。
杜克大學的凱特·斯科爾伯格對此表示贊同。她和她的同事們建立了超新星早期預警系統（簡稱 SNEWS），這是一個協調網路，旨在快速通知銀河系中的核心坍縮爆炸。計劃是，全球範圍內對超新星中微子敏感的探測器（如南極洲的冰立方、義大利的大體積探測器和 Borexino，以及日本的更大的、更靈敏的 Kamiokande 的升級版，稱為超級神岡）將向長島布魯克海文國家實驗室的中央計算機報告候選爆發。“如果幾個中微子探測器同時亮起，那麼很可能附近發生了超新星爆發，”斯科爾伯格解釋說。
如果 SNEWS 計算機在兩個探測器的訊號之間發現 10 秒內的巧合，它會向全球天文臺發出警報。斯科爾伯格和她的同事希望地面和太空中的望遠鏡能夠儘快記錄下來自爆炸的電磁輻射，包括可見光、無線電波和 X 射線，並觀察其早期階段的展開。“我們的想法是讓儘可能多的人在任何地方進行觀察，以便有最好的機會查明早期光線，”她說。
“測量來自銀河系超新星的中微子將告訴我們大量的資訊，”斯科爾伯格說。“這是一個難以置信的資訊寶庫。”探測器將記錄到達的中微子的數量和能量如何隨時間演變，這將使我們深入瞭解爆炸是如何展開的。除其他外，科學家將能夠確定恆星的核心是否完全坍縮成黑洞（連中微子都無法逃脫），或者是否在短時間內停止，而是形成一顆中子星。如果形成黑洞，那麼從超新星向外發射的中微子流將突然停止。另一方面，如果最終產物是一顆中子星，那麼恆星殘骸將繼續發射中微子大約 10 秒鐘，同時它會冷卻下來，因此中微子流應該逐漸減少，而不是突然切斷。
銀河系超新星爆發也可能揭示中微子本身的性質。例如，物理學家一直在努力確定他們所謂的“中微子質量等級”。實際上，他們想知道是存在兩個重質量狀態和一個輕質量狀態，還是一個重質量狀態和兩個輕質量狀態，他們認為測量超新星中微子可以確定答案。此外，在超新星核心中，中微子的密度非常高，以至於中微子之間的相互作用（否則它們會忽略彼此的存在）可能會改變它們的行為。“我們可能會看到一些中微子的奇異集體振盪，”斯科爾伯格說。“如果它們的行為出現任何異常，它們可能指向超越標準模型的新物理學，”標準模型是經過充分檢驗的基本力和基本粒子的框架。
幸運的是，有幾個現有的探測器足夠靈敏，可以記錄來自銀河系中任何地方發生的超新星爆發的中微子。例如，超級神岡會記錄到來自銀河系中心附近的超新星的數千次命中，距離地球超過 25,000 光年。它甚至可以將中微子的來源方向精確到幾度之內，相當於比滿月大幾倍的天空區域。冰立方將記錄一百萬次事件，它最適合跟蹤中微子流如何隨時間演變。“我們將能夠看到爆炸的整個 10 秒故事，每隔幾毫秒拍攝一次快照，”威斯康星大學麥迪遜分校的冰立方首席研究員弗朗西斯·哈爾岑說。“我們將能夠準確地確定中子星形成的確切時刻。”
然而，目前的探測器僅對一種中微子敏感，即電子反中微子。（中微子及其反物質對應物各有三種所謂的味：電子、μ子和τ子。）“只觀察一種味就像透過單色濾鏡拍照，”斯科爾伯格觀察到。她寧願擁有全綵檢視。作為開發彩色視覺的第一步，斯科爾伯格和她的加拿大同事正在安大略省的 SNOLAB 建造一種名為氦和鉛觀測臺（HALO）的專用裝置。HALO 使用 80 噸鉛作為探測器材料，對電子中微子敏感，因此它將補充其他現有的記錄其反物質孿生的探測器。就中微子探測器而言，HALO 相當小，因此超新星必須在銀河系較近的一半範圍內爆炸才能被探測到。
等待遊戲
儘管前景令人興奮，但實現這些前景必須等到銀河系附近發生核心坍縮超新星爆發。漫長的等待令人沮喪。正如俄亥俄州立大學的比科姆所說，這“是一個屏住呼吸的問題”。問題在於，目前的觀測臺不夠靈敏，無法探測到來自其他星系的超新星的許多中微子。例如，超級神岡將從仙女座星系（銀河系最近的同等大小的鄰居，距離 250 萬光年）的爆炸中記錄到一個微不足道的事件。
儘管所有證據都表明，諸如參宿四和海山二等老化的巨星將在不久的將來迎來火熱的末日，但我們不知道它們的死亡何時會到來。在宇宙的語境下，“不久的將來”很可能是幾十萬年後的事。也就是說，在未來幾十年內，銀河系中的某個地方的一顆大質量恆星很可能會爆炸。正如洛斯阿拉莫斯國家實驗室的弗裡德蘭告訴我的那樣，“如果我必須賭哪件事會先發生，下一次銀河系超新星爆發還是在美國建造下一臺大型粒子對撞機，我的錢會押在超新星上。”即使超新星距離地球太遠，我們無法透過銀河系的塵埃面紗觀察到它的光線，它也會在世界各地的中微子探測器中閃耀光芒。這將是一場轟動性的事件，一個分水嶺時刻，中微子獵人會像慶祝其他任何時刻一樣慶祝它。