幾乎每天晚上，當獵戶座可見時，物理學家馬克·瓦金斯都會走到外面，凝視獵戶座右肩上的一顆微紅色星星。 「你可以用肉眼看到參宿四的顏色。這顆紅紅的星星非常引人注目，」他說。 “也許在我有生之年不會發生，但總有一天，那顆星星會爆炸。”
半徑約為太陽光的900倍參宿四是一顆即將終結的巨大恆星。最終，它將不再能夠支撐自己的重量，並且核心將會崩潰。那次倒塌帶來的衝擊波將會加速向外，在稱為超新星的大規模爆炸中猛烈地驅逐恆星的外層。當參宿四爆炸時，它的宇宙爆炸將產生比滿月更亮的燈光秀，即使在白天也可見。它可能發生在明天，或一百萬年後。
銀河系中散佈著無數像參宿四這樣的恆星——其中任何一顆都可能很快就會爆炸。科學家估計我們的銀河系一個世紀內會發生幾次超新星爆發。雖然在遙遠的星系中閃閃發光的超新星經常被天空中的望遠鏡發現，但科學家們熱切地希望捕捉到兩個難以捉摸的特徵，這些特徵只能從離家較近的超新星中檢測到。這些特徵是中微子（從坍縮恆星中心流出的亞原子粒子）和重力波（時空的微妙振動這也會從痙攣的恆星中激起漣漪）。
明星的最後時刻
數百萬年來，一顆大恆星將原子核融合成越來越重的元素。一旦鐵在核心形成，聚變就會停止，引力就會淹沒恆星，使其核心塌陷並產生向外傳播的衝擊波（黃色）。從核心發出的中微子將衝擊波推向恆星表面。恆星爆炸，將元素拋入太空。
1.恆星核心塌陷。 t=0 秒
2. 核心反彈，產生衝擊波。
t=0.1秒
3. 中微子增強衝擊波，使其在外部物質向內落下時保持移動。 t=0.3秒
4. 衝擊波穿過各層，將材料向外排出。 t>0.3秒
5.衝擊波到達表面，恆星爆炸。
t>2小時
圖：E.奧特韋爾
資料來源：H.-T.揚卡等/Prog。理論。過期。物理。2012年；布朗森·梅塞爾
「這兩個訊號直接來自超新星內部，是我們真正渴望的訊號，」德國加興馬克斯·普朗克天文物理研究所的天文物理學家漢斯·托馬斯·揚卡說。與從恆星表面釋放的光不同，隱形中微子和重力波將為科學家提供流程一覽發生在一顆正在塌縮的恆星深處。
超新星帶來的不僅僅是令人驚嘆的爆炸。當它們爆發時，星星會噴出它們的內臟，用化學元素播種宇宙生命存在所必需的。 「如果沒有超新星，我們顯然不會在這裡，」東京大學卡維裡宇宙物理與數學研究所的瓦金斯說。但混亂中發生的過程仍不完全清楚。電腦模擬已經揭示了恆星爆炸的大部分物理原理，但模型並不能取代現實生活中的附近爆炸。
給科學家的靈感之一是超新星1987A，30年前出現在銀河系的衛星星系大麥哲倫星雲中（SN：2017 年 2 月 18 日，第 17 頁20）。這次爆發暗示超新星附近可以提供無與倫比的資訊。利用當時可用的探測器，科學家只捕獲了兩打 1987A 的中微子（SN：87 年 3 月 21 日，第 14 頁180）。人們已經撰寫了數百篇論文來分析這珍貴的粒子。基於這些檢測的計算證實了科學家的預感釋放出數量驚人的中微子恆星核心在超新星中塌陷後。 1987A 總共排放了約 1058中微子。從長遠來看，大約有 10 個24可觀測宇宙中的恆星——數量要少得多。
自 1987 年以來，中微子探測器數量激增，安裝在從南極冰蓋到全球各地深礦井等適合中微子捕獲的奇異地點。如果今天一顆超新星在銀河系爆發，科學家可能會捕獲數千甚至一百萬個中微子。重力波探測也同樣出現在現場，準備偵測爆炸引起的時空輕微變化。探測到這種重力波或過量的超新星中微子將導致科學家知識的明顯飛躍，並為了解超新星提供新的視窗。現在所需要的就是爆炸。
預警
儘管估計每個世紀都有一些恆星在銀河系中爆炸，自 1600 年代初以來就沒人見過它。哥倫布俄亥俄州立大學的物理學家約翰·比科姆表示，爆炸可能只是沒有引起人們的注意；光線可能會在星系中混亂的氣體和塵埃中消失。超新星爆發的中微子將提供可靠的訊號。
這些隱士般的基本粒子避免了與物質的大多數相互作用。中微子是在恆星、放射性衰變和其他反應中產生的，非常無形，以至於 1987A 爆炸中產生的數萬億中微子穿過了地球上每個人的身體，但沒有人感覺到任何東西。對於像 1987A 這樣的超新星，稱為 2 型或核心塌縮超新星，大約99%的爆炸能量進入微小顆粒。另一種不太常見的超新星是 1a 型，當稱為白矮星的恆星的殘餘物出現時，就會發生這種超新星。從伴星竊取物質直到白矮星爆炸（SN：2016 年 4 月 30 日，第 14 頁20）。在 1a 型超新星中，不會發生核心塌縮，因此這些爆炸產生的中微子數量要少得多，並且在地球上不太可能被檢測到。
對於研究超新星的科學家來說，中微子不願意相互作用是優勢。這些粒子不會在離開恆星時陷入困境，因此它們會在爆炸發出的光之前幾個小時甚至一天多到達地球，而爆炸發出的光只有在衝擊波從恆星的核心傳播到其內部時才會釋放。表面。這意味著這些粒子可以向天文學家提示光爆發即將發生，並且可能會發生在哪裡，這樣他們就可以準備好望遠鏡。
大多數中微子實驗（有十多個）並不是為了拍攝不可預測的超新星的快照而建立的；而是為了拍攝不可預測的超新星的快照。它們的建造目的是研究來自可靠來源的中微子，如太陽、核反應器或粒子加速器。儘管如此，七個中微子實驗已經聯合起來創造了SuperNova預警系統，新聞。如果至少兩個地點的中微子探測器報告出意外的大量中微子爆發，SNEWS 將向世界天文學家發送電子郵件警報。所涉及的實驗是一個奇怪的多樣化的群體，包括冰立方，由凍結在南極洲冰層深處的光感測器組成的探測器（SN：2014 年 12 月 27 日，第 14 頁27）；超級神岡，它擁有一個裝滿 50,000 噸水的水箱，駐紮在日本飛驒市的一個礦井中；和氦鉛觀測站，或 HALO——座右銘是“天文耐心”——由加拿大薩德伯里一座礦井中回收的鉛塊製成。他們的共同點是：實驗規模很大，可以為中微子提供大量相互作用的材料，例如鉛、水或冰。
IceCube 的探測器非常巨大，它的光感測器深入冰蓋數公里深處，可以從銀河系超新星中捕捉到一百萬個中微子的痕跡。由於它的設計目的是僅捕獲在太空中快速傳播的最高能量中微子，因此它的靈敏度不足以檢測超新星爆發期間發射的單一中微子。相反，IceCube 的重點是大局：它記錄了中微子在十億分之二秒的時間片中在冰中相互作用產生的光的增加，威斯康辛大學麥迪遜分校的 IceCube 領導者 Francis Halzen 說。 “我們製作一部關於超新星的電影。”
超級神岡探測器是一種中微子探測器可以精確定位位置即將到來的恆星爆發。它是 Kamiokande-II 的後繼者，Kamiokande-II 是 1987A 發現少量中微子的少數探測器之一。在附近超新星爆發中微子後不久，探測器可以引導天文學家將天空幾度的距離歸零。杜克大學的中微子物理學家凱特·肖爾伯格表示，如果這種情況發生，“我預計任何有能力的人都會將其放大。”
幻燈片放映後故事繼續
正在尋找
各種中微子探測器正在等待超新星發出的信號，包括日本的 Super-Kamiokande、南極洲的 IceCube 和加拿大的 HALO。它們也加入了重力波觀測站 LIGO，探測器位於路易斯安那州（如圖）和華盛頓州。
超新星的語言
光和中微子是超新星所說的幾種語言中的兩種。從這個意義上說，超新星 1987A 就是一塊“羅塞塔石碑”，Beacom 說。透過仔細研究 1987A 的光和其中的少量中微子，科學家開始拼湊理論物理學來解釋這顆恆星內部發生的事情。在未來的超新星中，另一種語言——重力波——可能會為這個故事增添細微的差別。但爆炸必須很接近。
如果中微子難以捉摸，那麼重力波就幾乎無法偵測到。愛因斯坦廣義相對論預測，當大質量物體加速時，就會產生空間本身的微小震動。 2016 年，科學家們先進雷射干涉儀重力波天文台LIGO 宣布首次直接偵測到兩個黑洞合併產生的重力波（SN：2016 年 3 月 5 日，第 16 頁6）。這個里程碑需要一對非常精確的探測器，它們能夠感知將探測器 4 公里長的臂壓扁質子直徑的一小部分的顫動。
來自超新星的重力波應該比來自合併黑洞的重力波更難梳理。漣漪的模式更難以預測。對其他星系中檢測到的許多超新星特性的調查表示爆炸變化很大從一個到下一個，布萊克斯堡維吉尼亞理工大學的天文粒子物理學家堀內俊作說。 “我們問，’有標準的超新星嗎？’答案是「否」。 」
儘管面臨挑戰，但尋找來自超新星的引力波還是有可能的，因為爆炸是混亂且不對稱的，會產生塊狀、不平衡的爆發。完全對稱膨脹的爆炸，就像充氣的氣球一樣，不會產生重力波。因此，重力波特徵可以告訴科學家爆炸的傾斜程度以及恆星旋轉的速度。
重力波也可能揭示構成原中子星的奇怪中子混合物的一些物理原理——超新星中形成的密度極高的恆星的起源。科學家希望對富中子材料的可壓縮性進行分類——它在塌縮中如何被擠壓和反彈。田納西大學的計算天體物理學家托尼·梅扎卡帕（Tony Mezzacappa）表示：“引力波特徵會在其中留下這種硬度或柔軟度的印記。”
超新星有可能坍縮成一種更神秘的狀態──黑洞，其重力場如此強大，甚至連光也無法逃脫。當黑洞形成時，中微子的流量會突然下降，因為它們的出口路線被切斷。探測器會注意到。 “親眼目睹黑洞誕生的那一刻，”瓦金斯說，“將是一件非常令人興奮的事情。”
雖然中微子可以成為超新星的預言，但恆星爆炸可以揭示中微子本身的許多資訊。中微子分為三種：電子、μ子和τ子。全部非常輕，質量小於電子的百萬分之一（SN：2013 年 1 月 26 日，第 14 頁18）。但科學家們不知道這三種中微子哪一種最輕；附近的超新星可以回答這個問題。
超新星的核心是所有晦澀的物理學，與地球有直接的連結。它們是最終形成行星的許多元素的來源。隨著恆星年齡的增長，它們會融合越來越重的元素，從氫中形成氦，從氦形成碳，等等，在元素週期表中一直到鐵。這些元素，包括一些被認為對生命至關重要的元素，如碳和氧，在爆炸中從恆星的內部噴出。
加拿大薩德伯里勞倫森大學的物理學家克拉倫斯·維爾圖說：「地球上存在的所有比鐵重的元素要么是在超新星爆發中產生的，要么是在天文學中的其他災難性事件中產生的。金、鉑和許多其他比鐵重的元素在一系列反應中產生其中中子被快速吸收，稱為 r 過程（SN：2016 年 5 月 14 日，第 14 頁9）。但科學家仍然爭論r過程是否發生在超新星或中子星相互合併時。拉開超新星的帷幕可以幫助科學家解決這場爭端。
甚至超新星爆炸和播下化學種子的原因也引起了激烈的爭論。直到最近，超新星的電腦模擬常常失敗，顯示在真實的爆炸中發生了一些科學家忽略的事情。衝擊波似乎需要額外的刺激使其脫離恆星並產生發光爆炸。最近的模擬表明，額外的能量很可能是由向外流動的中微子帶來的。但是，梅扎卡帕說，“最終，我們需要一些觀察結果來檢查我們的模型。”
快點等待吧
超新星有回答如此重大問題的潛力，這意味著科學家面臨著不能錯過重大突破的壓力。 「你最好做好準備。如果發生這種情況而你還沒準備好，那麼你會感到悲傷，」Scholberg 說。 “我們必須盡可能做好準備，收集盡可能多的信息。”
如果探測器在關鍵時刻不工作，就沒有第二次機會。因此，中微子實驗的設計目的是在很少的停機時間內運行，並避免潛在的故障模式——例如，來自超新星的突然大量數據可能會使超靈敏探測器中的電子系統崩潰。重力波探測器非常挑剔，以至於像衝擊附近海灘的海浪這樣微妙的干擾都會使它們失控。在接下來的幾年裡，LIGO 計劃將探測器一次關閉數月進行升級。科學家只能希望，當超新星爆發時，一切都正常運作。
有些人甚至希望鄰近的恆星再推遲一點。 「我似乎總是告訴人們，我希望參宿四從現在起一年後消失，」在田納西州橡樹嶺國家實驗室從事超新星模擬工作的物理學家布朗森·梅塞爾開玩笑說。隨著模擬的每一次改進，他都渴望有更多的時間來研究它們。
梅塞爾不斷實現他的願望，但他不想等太久。他希望在有生之年看到銀河系中出現超新星。但這可能需要幾十年。為了以防萬一，每晚都會觀察參宿四的瓦金斯正在盡自己的一份力量，為下一代做好準備。他不再獨自掃視天空。 「我已經教我 6 歲的兒子如何找到天空中的那顆星星，」他說。 “也許我不會看到它發生，但也許他會看到它發生。”
本文發表於 2017 年 2 月 18 日號科學新聞標題是“等待超新星：當附近的恆星爆炸時，天文台計劃做好準備。”
