超新星可能在任何时候闪耀整个银河系，天文学家将拭目以待

　　超新星SN 1987A出现在这张由施密特望远镜拍摄的狼蛛状星云图像中心附近的一个亮点。
　　中田正幸等待一颗恒星的爆炸已经等了35年。1987年2月，在他刚刚开始从事科学研究的时候，一个光点突然出现在南半球的天空中，这是目前发现距离最近的超新星，这颗被称为 ＂SN1987A＂ 的超新星当时引起了全世界媒体的关注，并促进了天体物理学的巨大进步。当时中田正幸还是一名研究生，正在研究当时世界上最重要的中微子捕捉器之一，日本神冈县地下天文台的 ＂神冈二号＂ 探测器。他和他的同事发现了中微子从超新星中涌出的证据，这是第一次有人看到这些来自太阳系以外的基本粒子。
　　现在，中田正幸成为了东京大学的物理学家并且已经为另一颗超新星爆炸做好了准备，他是世界上最大的中微子探测器 ＂超级神冈＂ 的负责人，该实验对超新星警报系统的升级已于去年年底完成。这些改进将使天文台的计算机能够几乎实时地识别出来自超新星的中微子，并向世界各地的常规望远镜发出自动警报。
　　天文学家将拭目以待，明尼苏达大学德卢斯分校的天体物理学家亚历克·哈比格说:  ＂这将会让每个人都心惊胆战。＂  超级神冈探测器和其他中微子观测站的早期预警将触发其它天文望远镜自动向超新星的方向旋转，捕捉超新星发出的第一束光。巴黎萨克莱大学的天体物理学家布歇在智利天文台对SN1987A超新星进行了观测，他说，  ＂当光线到达时，最亮的时候这颗超新星将比满月还要亮，即使在白天也是可见的。＂
　　超新星极少被近距离观测到，但这在科学上的回报将是巨大的。 这种观测对于科学家理解恒星的化学元素是如何扩散到星系的有重要意义，同时恒星爆炸本身就合成了一般情况下不存在的元素。 中田正幸等人希望通过捕捉到的中微子，为研究超新星内部的极端物理现象提供一个独特的视角，并可能有助于一些有关自然界基本力和粒子研究的重要发现。  超新星的形成
　　1987年2月24日清晨，位于智利拉斯坎帕纳斯天文台的望远镜操作员伊恩·谢尔顿发现了一个意料之外的光点，它出现在刚刚拍摄的大麦哲伦星云曝光照片中。大麦哲伦星云是一个绕银河系运行的小星系，在地球南半球的天空中可以看到。谢尔顿立刻意识到这可能是一件大事，他走到外面并用自己的眼睛看了看，果然发现了这颗以前没有记录的明亮星星。这是自1604年德国天文学家开普勒记录以来，第一个肉眼可见的恒星物体。
　　超新星是宇宙中能量最大的天文现象之一，它会持续发光几周或几个月，在一些罕见的情况下，它发出的光比它所在的整个星系还多。 通常超新星爆炸包括几种类型，但最常见的情况是发生在一个质量非常大的恒星的生命末期，例如一个大约是太阳质量8到140倍的恒星。当恒星耗尽了所有的核聚变燃料，留下了一个由铁和镍组成的处于等离子体状态的核心。这时恒星的外层开始向内坍塌，在几毫秒的时间内核心中的大部分物质被压缩形成中子，这在通常条件下是不可能的。中子所占的空间比原有的等离子体核心小得多，导致恒星核心的密度突然上升了几个数量级，最终形成了中子星。
　　由于每个中子的形成都会释放出一个中微子，因此恒星内核的坍塌会释放出短暂的中微子风暴。但这场灾难才刚刚开始，恒星的其余部分将会像雨点一样落在那颗中子星上，在强烈的引力场作用下落数千公里后，这些物质撞击到中子星的坚硬表面，并带着向外传播的冲击波向整个宇宙中喷发。这种冲击波如此猛烈，以至于恒星的其他部分都会解体只留下核心的中子星作为残留物。
　　2011年，哈勃太空望远镜捕捉到SN1987A超新星被一组发光环包围。
　　在坍缩过程中，落下物质释放的能量将基本粒子撞在一起，就像在高能对撞机中发生的那样，不断地将能量转化成各种各样的新粒子。  ＂它的温度和密度令人难以置信＂  北卡罗来纳州达勒姆杜克大学的天体物理学家凯特·斯克尔伯格说。大多数粒子无处可去，不断地相互碰撞——只有一个例外，当碰撞产生中微子时，该粒子很有可能逃逸到外太空而不会撞击其他任何物体。因此， 许多中微子会在中子星形成的10秒或更长时间内产生。研究人员估计SN 1987A超新星发射了10的58次方个中微子。 最终，恒星的大部分质量分散到星际空间中。在接下来的岁月里，它将引发新的恒星和行星的形成，事实大约在50亿年前我们的太阳系可能就是这样形成的。  超新星的探测
　　根据最新的估计，平均每个世纪都会有一到两颗银河系中的恒星经历核心坍缩的过程，然而纵观整个人类历史，只有五颗超新星被肉眼的观察记录下来。造成这种差异的原因有很多。一方面，如果坍缩过程落下的物质足够多，那么这颗恒星就会形成一个黑洞，而不会产生太多的光；另一方面，虽然超新星的爆炸确实发生了，但发出的光线被银河系内厚厚的星际尘埃所掩盖，我们无法看见。
　　幸运的是，让中微子逃离恒星核心的物理原理，同样也能让它们畅通无阻地穿过布满星尘的银河中心。这意味着，无论如何地球上的中微子探测器都会捕捉到大量的中微子，也会记录下其他任何方式都无法探测到的超新星。
　　1987年当SN 1987A超新星出现时，神冈2号是世界上最大的中微子探测器之一，它使用3000吨水吸收了11个中微子，而在美国俄亥俄州和俄罗斯的探测器也捕捉到了一些。如果类似的事件在今天发生，1996年建成拥有5万吨水的超级神冈中微子探测器将至少发现300个粒子。
　　大型射电望远镜
　　从2018年开始，一个名为＂超级K＂的天文台进行了重大升级，大大提高了它研究超新星的能力，超级K目前是世界上确定超新星所在位置最好的探测器。中田正幸说，  ＂如果发生了代表超新星的中微子风暴，这个天文台将在5分钟内自动向天文学家发送警报，包括该超新星在天空中的坐标。他补充说，未来的软件改进应该能将这一时间缩短到1分钟。＂  这与SN 1987A发现后信息的传播方式有了重大进步，当时在智利的拉斯坎帕纳斯山顶上，谢尔顿工作的地方甚至连一根电话线都没有。为了提醒其他研究人员注意刚刚出现的科学宝藏，天文台的工作人员必须开两个小时的车程到最近的城镇发送电报。  中微子预警系统
　　中微子预警系统并不新鲜，它已经存在了近20年。目前超新星早期预警系统（简称为SNEWS）是一个由超级K天文台和其他几个中微子观测站组成的网络。 它包括 ＂冰立方＂ 和 KM3NeT ， ＂冰立方＂ 是一个光探测器的阵列，嵌入在南极洲一立方公里的冰层中， KM3NeT 也是一个类似的阵列，不过被埋入了地中海。美国和中国目前正在建设的大型中微子设施预计将在未来几年内也会加入其中，日本也同时正在建造超级神冈探测器。超级神冈探测器的发言人洛多维科说:  ＂如果一颗超新星在银河系中心爆炸，我们预计会产生54000到90000个中微子。＂
　　SNEWS的主要思想是将信号组合起来，以提高检测的可信度，即使单个信号看起来不那么准确。只有当SNEWS在两个不同地理区域的中微子探测器在10秒内同时探测到中微子时，才会向天文学家发出警报。哈比格说  :＂如果两个探测器同时看到了什么，又不在同一个实验室，那么在日本和意大利就很难发生随机事件。＂
　　一个团队在日本飞田附近的超级神冈探测器内使用船只工作
　　自2005年SNEWS上线以来，它目前不还没有机会发出任何警报。哈佛大学的天文学家罗伯特·科什纳说:  ＂你不得不佩服这种韧劲和耐力。天文学家他们知道自己是对的——但目前没有得到更多的回报。＂  超新星的观测
　　当谢尔顿发现SN 1987A超新星时，布歇正好在正确的时间出现在正确的地点。他曾在欧洲南方天文台工作，在那里他使用了一种特殊的设备，可以在白天对恒星进行 红外线测量 。这意味着即使天空中的日光淹没了恒星发出的可见光，布歇也可以继续测量超新星的亮度。但布歇当时使用的望远镜已经退役，而现代天文台也没有合适的设备来进行日间红外线测量。布歇补充道，更糟糕的是，大多数大型天文台已经关闭了它们较小的可见光望远镜，而将注意力集中在最大、最灵敏的仪器上，这些仪器对于观测超新星来说可能毫无用处
　　天文台
　　为了观察格外明亮的物体，天文学家可能会使用一些技巧，比如 短时间曝光或者涂黑望远镜的部分镜面 ，这样它反射的光线就会更少。但这对于测量超新星的亮度及其随时间的变化，目前很难精确地做到。 因为天文学家通常通过校准来测量一颗恒星的亮度，将其与同一视场内另一个已知恒星的亮度进行比较。但是，超新星是如此明亮以至于在同一幅 照片中看不到其他恒星时，校准是困难的。  超新星的影响
　　1987年的超新星在一夜之间改变了许多人的生活，谢尔顿决定攻读天文学博士学位。布歇在第二年的大部分时间里都待在智利的山顶上，从那时起就一直在研究这颗超新星和它的残骸。科什纳也参与了对SN 1987A中子星残骸的研究，他可能很快就会利用美国宇航局最近发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜的帮助。中田正幸是当时的导师，因为神冈二号的研究成果分享了2002年的诺贝尔物理学奖。
　　工作了40年的天文学家伊丽莎白·瓦根说， 许  多年轻人可以追溯他们开始对天文学感兴趣的时间的那一天，在那一天一些壮观的天文事件激发了他们的想象力并改变了他们的人生历程，比如SN 1987A超新星＂。她说，＂下一颗超新星也会改变很多人的生活，它将以一种新的方式将人类连接到星空。自1987年以来就没有探测到超新星的中微子，但这可能随时发生。每一年都是新的一年，每一天都是观测超新星的新一天。  ＂
　　本文参考nature文章，＂A supernova could light up the Milky Way at any time. Astronomers willbe watching.＂，如有兴趣还可查阅原文。
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