撰文:雷伊·賈亞瓦哈納(Ray Jayawardhana)
本文作者雷伊·賈亞瓦哈納是加拿大觀測天體物理學會研究主席、多倫多大學教授,主要研究行星系起源以及恒星與褐矮星的形成。本文改編自他的另一部作品《中微子獵人:追尋幽靈粒子解密宇宙》(Neutrino Hunters : TheThrilling Chase for a Ghostly Particle to Unlock the Secrets of theUniverse)。
翻譯:謝懿
天體物理學家正在加速搜尋來自銀河系中超新星的中微子,希望這些亞原子粒子可以為恒星死亡的物理過程提供前所未有的信息。
1987年,幾名天文學家在智利拉斯坎帕納斯山頂觀測到一顆“超新星”,也就是恒星亮度在短暫時間內從非常暗淡(無法被底片記錄下來)變為非常明亮(用肉眼就能看到)的爆炸事件。這是在人類發明望遠鏡將近400年以來在銀河系附近觀測到的第一顆超新星,它被命名為“1987A”。對超新星的其他觀測也為粒子物理學家研究幽靈亞原子粒子(即中微子)的特性提供了重要的線索,它將會解答在科學家心頭縈繞已久的、有關恒星死亡和中微子特性的問題。
光子先驅
根據恒星演化理論模型,在一個大質量恒星的生命結束之時,其核心的坍縮應該會導致大量中微子爆發,并幾乎不受干擾地逃離恒星內部深處的爆炸現場,使我們觀察到絢麗的“煙花”。也就是說,超新星1987A的這一信號在被天文學家用傳統望遠鏡發現的數小時前就已經到達了地球。不出所料,位于日本、美國、俄羅斯的地下探測器總共檢測到24個中微子。這是人類第一次觀測到來自太陽以外的天體所發出的中微子。
這一探測可以驗證關于大質量恒星如何發生爆炸的一些重要推測。天體物理學家很高興地發現他們測得的中微子的數量和能量與他們的理論計算結果相符,并由此得出結論:超新星并不是通過某些神秘機制來釋放能量。中微子相隔幾秒鐘而非同時到達地球的現象也證實它們需要花時間從極其致密的坍縮核心尋找向外的出路,這也與之前的預言相符。
測量結果還為研究中微子自身特性提供了線索。由于中微子到達地球的時間比天文學家拍攝到超新星早了近3個小時,科學家認為它們必定是以極其接近光速的速度運動的。事實上,根據超新星1987A中微子的到達時間,科學家也證明了中微子不大可能是彌漫在宇宙中的神秘“暗物質”。這一觀測結果也強有力地反駁了一度被媒體熱炒的“中微子超光速事件”。
整裝待發
超新星1987A引發了那些想了解垂死恒星內部運作機制的天體物理學家的探索欲望。粒子物理學家對來自超新星的中微子也非常感興趣,它們為研究這些難以捉摸的粒子在極端條件下的行為提供了一個難得的機會,而這些極端條件是無法在實驗室中復制的。
天文學家根據對其他星系的觀測結果估計,在銀河系中每個世紀至少會有幾顆大質量恒星發生爆炸。即使星際物質能夠阻礙發生在銀河系遙遠地域中的超新星光線,也無法阻擋中微子的通行。因此探測到中微子爆發即可表明,有一顆大質量恒星在銀河系中的某個地方發生了死亡。科學家們也為此做好了準備。他們建立了超新星早期預警系統,這是一個能夠快速警示銀河系內核心坍縮型超新星的協調網絡。在該計劃中,世界各地的靈敏中微子探測器都會向位于美國長島布魯克海文國家實驗室的中央計算機報告可能的爆發。如果兩個探測器信號之間的時間差在10秒以內,該系統就會向全世界的天文臺發出警報。
通過對來自銀河系超新星的中微子的觀測,科學家們將了解超新星爆炸的進行狀態,還可以根據中微子流的強度變化確定恒星的核心最終坍縮成了黑洞還是中子星。
等待游戲
雖然前景令人興奮,但科學家也必須等待銀河系附近出現一顆核心坍縮型超新星。盡管目前所有的證據都表明年老的巨星如參宿四(Betelgeuse)和船底座η星(Eta Carinae)將會在不久的將來發生超新星爆發,但科學家尚不知道那一刻究竟會何時到來。
未來幾十年里,在銀河系中的某個地方,大質量恒星發生爆發的概率依然很大。即使它距離地球太遠無法讓我們透過銀河系的塵埃看到這顆超新星發出的電磁輻射,它也會把世界各地的中微子探測器照得透亮。
本文由《環球科學》(《科學美國人》中文版)供稿。
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