原文作者：Davide Castelvecchi

如果我們銀河系鄰居的一顆恒星發生爆炸，它將發出比月光還要強烈的光芒。研究人員正爭分奪秒地為觀測這場 " 煙火秀 " 做準備。

為了觀測近距恒星爆發，中畑雅行（Masayuki Nakahata）已經等了 35 年。

上一次爆發事件發生在 1987 年 2 月。當時，南天區突然出現了一個亮點，而中畑才剛剛開始他的科研生涯。這次距今最近的超新星爆發事件被命名為 SN 1987A，得到了全球媒體的關注，也極大地推動了天體物理學的進步。

當時中畑還是一名研究生，在神岡 -II（Kamiokande-II）探測器工作。神岡 -II 探測器位于日本飛驒市近郊的神岡地下天文臺，是當時世界上最先進的中微子捕獲設備之一。中畑與同學平田慶子（Keiko Hirata）發現了超新星爆發涌出的中微子，這也是人類首次觀測到來自太陽系之外的這種基本粒子。

現在的中畑是東京大學的一名物理學家。作為世界上規模最大的中微子探測實驗項目——超級神岡（Super-Kamiokande）的負責人，他已經為下一次的超新星爆發做好了準備。去年末，超級神岡探測器完成了超新星預警系統的升級。這次升級使其計算機系統能夠幾乎實時地探測并識別超新星爆發所產生的中微子，并向世界各地的常規望遠鏡自動發出提醒。

這張蜘蛛星云照片中心附近的明亮光點就是超新星 1987A。照片由歐洲南方天文臺（ESO）的施密特望遠鏡拍攝。來源：歐洲南方天文臺

天文學家全都翹首以盼。明尼蘇達大學德盧斯分校的天體物理學家 Alec Habig 說：" 每個人都要打起十二分精神。" 超級神岡和其他中微子天文臺發布的預警將在無需人工干涉的情況下激活全自動望遠鏡，這些自動望遠鏡將對準這顆垂死恒星的方向，捕捉在中微子風暴后來自這顆超新星的第一束光。

然而，由于這些光線過于強烈，本來的好事可能會變成壞事，巴黎薩克雷大學的天體物理學家 Patrice Bouchet 說。Bouchet 曾在智利拉西亞天文臺對 SN 1987A 做出過重要觀測。超新星爆發的亮度極高，甚至亮過滿月，在白天也肉眼可見。對于專業天文學家使用的望遠鏡來說，如此高的亮度會損壞其中那些極度靈敏而精巧的傳感器。

Bouchet 過去使用的一些設備現在已經退役了。" 如果海山二或是參宿四突然爆發，"Bouchet 以兩顆著名恒星舉例道，" 我們其實還沒有做好觀測的準備，無法像之前觀測 1987A 那樣。" 屆時，研究人員必須根據觀測需求匆忙改造設備，而觀測的主要重擔將落在天文愛好者的肩上，因為他們的望遠鏡更小，操作起來也更熟練。

但不管如何，觀測這些超新星的科學回報將是巨大的。超新星極少被近距離觀測，但是這對于了解通過核聚變進入恒星內部的化學元素如何擴散到各個星系至關重要。而且，恒星爆發本身也會合成一些本來不會出現的元素。中畑等人希望他們捕捉到的中微子將為了解恒星爆炸內部的極端物理現象提供一個獨特窗口，并有望帶來對自然界基本力和基本粒子的重要發現。

新的光芒

1987 年 2 月 24 日清晨，位于智利拉斯坎帕納斯的一座加拿大天文臺的望遠鏡操作員 Ian Shelton 發現了一個奇怪的光點，這個光點出現在他剛剛對大麥哲倫云例行拍攝的一組圖像上。大麥哲倫云是一個圍繞銀河系運行的小星系，在南半球天空可見。

Shelton 立即意識到，這個光點可能來自一次重大事件。他走到外面親自用肉眼看了看，果然發現這片區域有一顆之前從未見過的亮星。這也是自德國天文學家開普勒 1604 年親眼看見一顆恒星體以來，人類再一次用肉眼觀測到這類天體。

超新星是宇宙中能量最強的激變事件之一，會持續發光數周或數月。在一些罕見的情形下，超新星發出的光比一整個星系還要多。超新星爆發可分為幾種類型，但最常見的是一顆超大恒星到達了它的生命末期——這類恒星的質量約是太陽的 8 到 140 倍。

核聚變能為恒星提供動力，而當恒星耗盡了核聚變的燃料后，就會留下一個由等離子體狀態的鐵和鎳構成的惰性核。恒星的外層開始向內收縮，而核開始塌陷。就在幾毫秒的時間里，核內的大部分物質會急劇壓縮，以至于質子和電子結合成中子。核的密度會陡然增加幾個數量級，因為中子的體積比等離子體小得多。這些中子還會聚集形成一個更致密的球——球的密度將達到物理定律的極限，在核內形成 Habig 稱之為原中子星（proto-neutron star）的星體。

每形成一個中子都會釋放出一個中微子，因此核的坍縮會引起中微子一開始的短暫爆發。但是整個激變事件才開了個頭。Habig 說：" 恒星的其他部分會向原中子星傾瀉而下。" 在強烈的引力場中下落數千公里后，這些物質會擊中這顆中子核的堅硬表面，再反彈并產生向外傳播的沖擊波。這種沖擊波異常猛烈，會導致恒星其他部分解體，最后只留下了中子星。這顆中子星的重量大約是太陽的兩倍。

哈勃太空望遠鏡在 2011 年拍攝到 SN 1987A 被一組光環包圍。來源：ESA/Hubble & NASA

在坍縮的過程中，下落的物質所釋放的能量將基本粒子壓縮到一起——就像高能對撞機中發生的過程，能量會不斷地轉化為各種新粒子。美國杜克大學的天體物理學家 Kate Scholberg 說：" 這個過程會達到難以置信的熱度和密度，各種反應都在發生。"

這些粒子大多無處可去，只能不斷碰撞——但有一個例外。當碰撞產生一個中微子時，這個中微子大概率會在不撞到任何東西的情況下逃逸到外層空間。因此，在大約十來秒的時間內會產生很多中微子。據研究人員估計，SN 1987A 一共噴出了 1058 個這種中微子。

在這個時間尺度上，中微子便成了超新星釋放能量的主要方式。盡管沖擊波可能還要好幾個小時才能穿過恒星的外層被我們看到，但中微子會以接近光速的速度被直接發射出來。核心坍縮超新星產生的 99% 以上的能量并非以光的形式，而是以中微子的形式逸出。

最終，這顆恒星的大部分原始質量會逸散到星際空間。在接下來的千萬年里，它將引發形成新的恒星和行星；大約 50 億年前，我們的太陽系可能就是這樣出現的。

核心坍縮

根據最新估計 [ 1 ] ，平均每 100 年就有一到兩顆銀河系的恒星發生核心坍縮。但在整個歷史上，只有五顆肉眼可見的超新星被記錄了下來，其中兩顆被認為是核心坍縮型 [ 2 ] 。出現這種落差的原因有很多。如果足夠的質量集中在坍縮的核心，它就會形成一個黑洞，不會產生 " 燈光秀 "。在大多數情況下，爆發可能確實發生了，但卻被銀道面上厚厚的星際塵埃掩蓋了——銀道面上有很多大質量恒星。

好在，能讓中微子逃離恒星核心的物理定律也會讓它們不受阻礙地穿過滿布星際塵埃的銀心。這意味著地球上的中微子探測器無論如何都會探測到中微子雨，這樣就能記錄下其他方式都無法探測到的坍塌恒星。

那么，這種中微子雨能有多大的規模呢？1987 年時，神岡 -II 探測器是世界上數一數二的中微子探測器，它用 3000 噸水捕獲了 11 個中微子；當時，俄亥俄州和俄羅斯的實驗項目也捕獲了幾個中微子。如果類似事件發生在今天，超級神岡探測器——1996 年啟用并擁有 5 萬噸水——將發現至少 300 個中微子——如果這顆超新星發生在我們的銀河系，而不是在大麥哲倫云，發現的中微子數量還會更多。

從 2018 年開始，超級神岡天文臺（也被稱為 Super-K）進行了一次升級，極大地提高了其研究超新星的能力。尤其值得一提的是，在由日本和美國物理學家攜手的超級神岡項目中，探測器的水中加入了稀土金屬釓。釓的存在將使探測器能夠明確區分超新星產生的兩種不同類型的中微子：一種中微子在探測器內產生的閃光沿任意方向傳播。但另一種中微子產生的閃光則直接指向中微子飛來的方向。

能夠實時區分這兩者意味著超級神岡的軟件能迅速計算出天文學家應該將他們的望遠鏡對準哪里——角度誤差小于 3 度。中畑說：" 有了這些信息，超級神岡就是世界上確定超新星方位的最佳探測器。"

這個超新星預警系統名為 SNWatch，能提醒高級合作成員注意可能出現的觀測機會。同時，它會在探測器深邃的地下大廳和控制室拉響警報。如今在普林斯頓大學擔任物理學家的 Sara Sussman 在 2017 年讀本科時曾在超級神岡工作過一段時間，親身體驗過這個預警系統。在她第一次擔任超級神岡控制室的值班員時，警報突然響了起來，當時 Sussman 并不知道這是一次演習。她說：" 我永遠都忘不了那一刻。"

就在不久前，超級神岡的流程還要求在發現超新星的情況下，一個資深團隊將召開緊急會議判定信號的可信度，以及是否將消息對外發布。但從去年 12 月開始，該合作組取消了任何人為干預的必要性。中畑說，如果出現中微子雨，SNWatch 將在 5 分鐘內向天文學家發出自動警報，并告知該事件在天空中的坐標。他還說，未來對軟件的優化能將這一時間縮短到 1 分鐘。

這將與發現 SN 1987A 時發布消息的方式相去甚遠。Shelton 當時工作的智利拉斯坎帕納斯山頂甚至沒有電話線，它的無線電話也很少能用。為了提醒其他研究人員注意剛剛出現的天文奇觀，天文臺的工作人員不得不驅車到最近的城鎮（車程有兩個小時）發電報。

時刻戒備

中微子預警系統并不新鮮：另一個中微子預警系統已經存在了近 20 年。這個名為超新星早期預警系統（SNEWS）的網絡關聯了超級神岡和其他幾個中微子天文臺，包括嵌入南極洲一立方千米冰層中的光傳感器陣列 IceCube，以及沉潛在地中海的類似陣列 KM3NeT。美國和中國目前正在建設的大型中微子探測設施預計將在未來幾年加入，日本也在建設頂級神岡（Hyper-Kamiokande），它將是超級神岡的五倍大。頂級神岡探測器的聯合發言人 Francesca Di Lodovico 說："如果一顆超新星在銀河系中心爆發，我們預計會探測到 54000-90000 個中微子。"

SNEWS 的主要目標是通過結合不同來源的信號提高檢測的可信度——即使單個信號看起來可信度不高也不要緊。每個探測器都有一個軟件能將任何異常活動告訴 SNEWS 的中央服務器。只有當兩個不同地理區域的中微子探測器在 10 秒內都探測到中微子活動猛增時，SNEWS 才會向天文學家發出警報。Habig 說：" 就好比說，如果分別位于日本和意大利的兩臺探測器同時發現了信號，這應該不太可能是某種隨機活動造成的。"

在日本飛驒近郊的超級神岡探測器內，一支研究團隊借助船艇開展工作。來源：Kamioka Observatory/Institute for Cosmic Ray Research/The University of Tokyo

就在 SN 1987A 使研究人員認識到快速發布中微子預警很重要的幾年之后，Scholberg 和 Habig 便開始從事關于 SNEWS 的工作。當時的神岡 -II 還沒有實時報告系統。中畑和平田被安排尋找爆發事件后的超新星中微子；他們打印出探測器好幾天分量的原始數據——幾百頁的連續打印紙——并用肉眼尋找信號點。

自從 SNEWS 在 2005 年上線以來，它還沒發出過任何預警。哈佛大學的天文學家 Robert Kirshner 說：" 你不得不佩服他們的毅力和耐力。他們知道自己是對的，也知道這很重要——但是他們的付出還沒有得到多少回報。"

眼下，SNEWS 即將開始其第一輪重大升級，稱為 SNEWS 2.0 [ 3 ] 。升級的一個目標是今后能根據置信度較低的超新星中微子觀測發現來預警。各個天文臺過去對發出預警這件事很保守，并希望避免發布任何錯誤的預警。但是近年來，整個科研氛圍發生了變化，研究人員開始樂意發布置信度低的預警，以防萬一。

Habig 說："人們的態度發生了 180 度大轉彎。" 這種轉變一定程度上是由引力波天文學的出現帶來的，它每周甚至每天都會產生信號，而許多天文學家會使用普通望遠鏡跟進這些信號。這樣一來，你就可以透過不同的天文現象來研究同一個天文事件，這種新潮流被稱為多信使天文學（multi-messenger astronomy）。

SNEWS 2.0 的另一項創新是，當多個天文臺記錄到同一場中微子雨時，它將比較粒子到達的精確時間，并利用這些信息來三角定位發射源。Habig 表示，雖然定位精度遠不如超級神岡本身，但三角測量給出定位的速度更快。

亮度過高

當年 Shelton 發現 SN 1987A 時，Bouchet 正好也在正確的時間出現在了正確的地點。那個時候，他一直在位于拉西亞的歐洲南方天文臺工作，利用那里的特殊設備，他能在白天對恒星進行紅外測量。這意味著即使天空中的日光淹沒了恒星發出的可見光，Bouchet 也能繼續測量超新星的亮度。但是 Bouchet 使用的這個望遠鏡已經退役了，目前的現代天文臺并無合適的設備來進行晝間紅外測量。

Bouchet 說，更糟糕的是，很多大型天文臺已經將較小的可見光望遠鏡退役，專注于最大、最靈敏的設備。如果要觀測一個高亮度的天文事件，這些設備可能毫無用處。英國華威大學的天文學家 Danny Steeghs 則比較樂觀。他說，得益于多信使天文學的崛起，" 小設備天文學 " 已經出現了復興。" 現在我們有了新一代的定制程度更高、更小的望遠鏡。"Steeghs 說，如果真的出現了超新星爆發，"我們可能會錯過最開始的階段，但我相信每個人都會發揮主觀能動性。"Steeghs 是引力波光學瞬態觀測器的負責人，這個系統可以迅速掃描大片天空來追尋可能與引力波來源相關的光線。

" 即使遇到非常明亮的天文事件，天文學家也能聰明地找到辦法。"Las Cumbres 天文臺的高級科學家 Andy Howell 說。Las Cumbres 天文臺位于加州圣巴巴拉近郊，有一個覆蓋了全球天空的自動化望遠鏡組網。" 我們可以全天候地觀測超新星，因為我們總有處于黑暗中的望遠鏡。"

為了觀測超亮的天體，天文學家可能會使用一些技巧，比如進行短曝光，或者將望遠鏡的反射面部分涂黑，使其反射的光線減少。但是最關鍵的任務之一——觀測超新星的亮度并追蹤它隨時間的變化——將很難達到足夠的精度。天文學家一般通過校準來測量一顆恒星的亮度，具體做法是將其的亮度與同一視場中另一個我們熟悉的天體進行比較。但是，當研究對象如此明亮，以至于在同一次拍攝中無法看到其他恒星時，校準就很困難。

Bouchet 表示，如果專業的天文學家遇上了困難，還有一群訓練有素的天文學愛好者可以救場。總部設在馬薩諸塞州的美國變星觀測者協會（AAVSO）將調動天文愛好者的力量，他們中的很多人都很樂意參與這種項目。幫助安排觀測任務、已在 AAVSO 工作 40 年的天文學家 Elizabeth Waagen 說：" 他們都愿意加入——有些人幾分鐘內就答應了。"

Arto Oksanen 說："我們這群人無處不在。"Oksanen 是住在芬蘭于韋斯屈萊的 IT 專業人士，也是業余天文領域的名人。" 無論什么時間，總有一些人能在晴朗的夜空下進行觀測。"Oksanen 是一個觀星者俱樂部的主席，這個俱樂部在赫爾辛基以北約 300 公里處建造了一個遠程操作天文臺，并配備了一臺 40 厘米口徑的反射望遠鏡和一個自動化圓頂。

即使更小的望遠鏡也能對非常明亮的超新星爆發進行觀測。Oksanen 說，假如該天體非常明亮，并且在芬蘭的天空中可見，他可能首先會用他的尼康數碼單反相機拍照。對于超新星爆發來說，時間就是一切，即使這種粗糙的方法也能記錄下關于爆發亮度變化的寶貴信息。

不過，俄勒岡州本德市的天文愛好者 Tom Calderwood 認為，很少有嚴肅的天文愛好者為可能出現的超新星爆發做好了應急準備。他說：" 天文愛好者絕對應該坐下來好好想想，他們能為此做些什么。"

1987 年的那顆超新星一夜之間改變了許多人的一生。Shelton 決定攻讀天文學博士學位。Bouchet 把接下來一年的大部分時間都花在了智利的山頂上，到今天還一直在研究這顆超新星和它的殘余。Kirshner 也是如此，他一直在參與尋找 SN 1987A 的中子星殘余。很快，NASA 不久前發射的詹姆斯 · 韋布太空望遠鏡就能幫他一個大忙了——韋布望遠鏡或許能探測到來自中子星殘余的紅外輻射，這些輻射能穿過籠罩在周圍的星際塵埃。中畑當時的導師、已故的小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）因其借助神岡 -II 探測器完成的工作在 2002 年獲得了諾貝爾物理學獎，他的得獎與探測到那 11 個來自超新星的中微子密切相關。

Waagen 說，很多年輕人都能將他們對天文學——或是整個科學——產生興趣的時間追溯到某個特定的日子，那一刻 " 一些非比尋常的事件激發了他們的想象力，改變了他們的人生 "。下一次超新星爆發也將改變很多人的生命，她說，" 它將以一種新的方式將這些人的命運與天空聯系起來。"

" 到時候將是一片沸騰，" 波士頓大學粒子物理學家 Ed Kearns 說，" 我不知道到底會發生什么，因為這當中有很多人性因素的影響。"1987 年之后還沒有檢測到任何超新星中微子，但爆發隨時可能發生，他說，" 每一年都是新的一年，每一天都是新的一天，都有機會出現超新星。"