宇宙天文：新的超新星預警係統將預測宇宙奇觀


發現於1987年，1987A號超新星是自1604年以來我們發現的距離地球最近的超新星。它位於大麥哲倫星係（Large Magellanic Cloud），一個臨近銀河係的矮星係。資料來源：NASA, 歐洲航天局（ESA）,科羅拉多大學博爾德分校K.France，哈佛大學P. Challis和R. Kirshner天體物理中心和，史密森學會。
業餘的天文愛好者和專業人士，馬上就會擁有一個新的警報係統，這個係統可以提醒他們，我們星係中的某個恒星正在垂死掙紮。搭載在長島布魯克黑文國家服務器(Brookhaven National Laborator)上的超新星爆炸預警係統（SNEWS）的升級版軟件，將很快能夠提供更加可靠精確且及時的銀河係內超新星爆發預警——一個一生難得遇見一次的事件。
取決於爆發核心的性質，爆發釋放的光可能需要幾秒到幾小時的時間穿透火球。而中微子，由於它和其他物質相互作用極其微弱的性質，是超新星爆發事件絕佳的預警指標。如果一個恒星的內核在其爆發之前就坍塌了，它將會噴發出近乎光速的中微子，並迅速逃逸。 SNEWS係統收集了世界各地的中微子觀察信息，以此盡早給出超新星爆發預警。
科學家們觀察到的絕大多數超新星爆發事件都發生在遙遠的星係。在那裏，它們短暫地閃耀，使它們周圍的星係黯然失色。但在距離更近的地方觀察爆發事件，可以使科學家們收集到更多的信息。恒星是核素合成工廠，在那裏氫原子聚合形成更加重的元素，使得像地球這樣的行星和我們人類的形成成為可能。近距離地研究它，可以幫助研究人員更好地理解這些元素的合成過程，以及爆發後將這些元素散播到宇宙中的對應恒星種類。然而許多科學家認為，如果能從恒星爆發最初時刻就開始觀察，我們也許會有意想不到的發現。1987年2月23日，一個超新星在南部天區爆發，然而幾小時之後我們才發現我們喪失了現代以來唯一的一次觀察機會，科學家們從SN1987A超新星上挖掘了不少信息，包括可演變為超新星的恒星種類和超新星爆發丟入宇宙殘骸的特征。令人沮喪的是，他們丟失了超新星爆發最初時刻的信息，也失去了揭露這一秘密的機會，SNEWS對最大程度上利用下一次機會極為重要。“我們已經在遙遠的星係發現了超過5000個超新星爆發事件。錯過在我們附近發生的爆發事件，可以說十分令人沮喪了” Mansi Kasliwal ，一位在加州理工學院的天文學家如是說。


圖片來源：pixabay
“以人類生命長度來衡量，超新星爆發是非常罕見的事件。” Cate Scholberg說，他是一名來自杜克大學的物理學家，同時也是SNEWS的合作創建者。“我們估計的發生頻率為大概一個世紀幾次，這使得抓住每一個可能的機會，每一份可能的信息都十分重要”。 Scholberg 解釋：來自超新星爆發的早期光對於理解爆發的恒星和爆發前周圍的環境十分重要。觀察中微子是抓住這個機會的最好方式。
超新星之謎
觀察星係內的恒星爆發事件，可以幫助我們解決在物理學中具有挑戰性的基本問題，Kasliwal說。他在加洲帕洛瑪天文台負責望遠鏡的工作，並且他沒有參與到SNEWS中。他說：“舉個基本的例子，超新星何時會形成中子星，何時又會變成黑洞？”。“有人可能認為這是一個十分簡單的問題：重的恒星變為黑洞，輕的恒星變成中子星。然而實際情況可比這複雜多了。”
為了迎接SNEWS 2.0的到來，Kasliwall領導了一次名為Palomar Cattini-IR的遠紅外望遠鏡調查，以收集銀河係中很可能即將成為超新星恒星的詳細信息。“我們將會建立一條恒星爆發前的超長基線，以分析恒星爆發前的結構，”Kaliwal說，“一旦它爆炸，我們就可以做高分辨的光譜分析，並且捋清爆炸物理學中的細節，關於這些細節我們僅有一些不錯的猜想”。
超新星爆發早期預警同樣可以增進我們對中微子的理解。研究來自爆炸恒星的中微子可以幫助科學家測量這些粒子的重量——如今的難點問題——同時幫助理解中微子是如何從一個“味”轉換到另一個“味”的。同時由於超新星內部的中微子是如此之多，它提供了一個十分罕見的研究中微子直接相互作用的機會。
SNEWS2.0合作研究機構計劃，將信號采集時間延長，以此探測恒星燃燒爆炸坍塌前的幾個小時到幾天中微子釋放量的增加。超新星爆發前發射的中微子強度遠低於其爆發時發射的中微子強度，這使得目前隻能探測到那些極個別距離較近的準超新星恒星如Betelgeuse和Antares。通過提高探測器的靈敏度，並且結合多個探測器的信號，係統可以探測到的爆發前中微子信號的範圍將很快擴展到銀河係中心。一篇介紹SNEWS 2.0的文章將很快發表在New Journal of Physics上。這篇文章的預印本已經可在網上獲得。
警報來臨
當Scholberg和SNEWS的合作研究者Alec Habig，他是一名來自明尼蘇達大學德盧斯分校的教授，在上世紀90年代晚期首次研發這一係統時，規劃了這個係統的首要任務就是將錯誤的報告控製在一世紀一次左右。“現在，由於捕捉冒險信號的人們佳音不斷，”當Habig標記其他天文台送來的錯誤報告和試運行結果時，“SNEWS的信號訂閱者說：“你們為何不給我們發一些模擬信號的數據呢？我們也想練習。”
Habig說“我們計劃發布不同等級的信號，所以你和你的望遠鏡就可以選擇一種：‘我們隻想捕捉那些十分可信的事件’，或者是‘我們想要碰碰運氣，並追蹤一切信號’。人們可以根據不同等級的信號做出不同的響應。”


圖片來源：pixabay
盡管高靈敏度的信號意味著高的出錯率，它還是可以使SNEWS2.0捕捉到那些在之前的信號閾值下可能會溜走的爆發事件。這同時加快了預警速度，減少了錯過那些核心坍塌和電磁輻射爆發間隔較短爆發事件早期的概率。
沒有哪一個課題組會比業餘愛好者更加急於抓住幽靈預警，寄希望於最終抓住真的爆炸事件，據美國變星觀測者協會（American Association of Variable Star Observers AAVSO）的CEO Stella Kafka說，許多AAVSO的成員都是業餘觀察者，他們十分希望能夠測試來自SNEWS的錯誤信號。 Kafka說“我們的誌願者都非常投入，他們十分希望能留下屬於自己的腳印”。作為一項附加獎勵，所有的天文學家包括業餘愛好者，隻要他對超新星觀察事件有所貢獻，都會被銘刻在科學記錄中。Kafka說：“我們的觀察者將會是文章中的合作作者，SNEWS給出了這一承諾。”
撰文：James Riordon
翻譯：張曄
審校：費哲妮
引進來源：科學美國
本文來自：環球科學


關注【深圳科普】微信公眾號，在對話框：
回複【最新活動】，了解近期科普活動
回複【科普行】，了解最新深圳科普行活動
回複【研學營】，了解最新科普研學營
回複【科普課堂】，了解最新科普課堂
回複【科普書籍】，了解最新科普書籍
回複【團體定製】，了解最新團體定製活動
回複【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回複【觀鳥星空体育官网入口网站】，學習觀鳥相關科普星空体育官网入口网站
回複【博物學院】，了解更多博物學院活動詳情