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宇宙信使穿透地球來報告什么?
宇宙信使穿透地球來報告什么?
中科院物理所     阅读简体中文版

三個探測器幾乎同時接收到中微子,中微子爆發歷時少于13秒。中微子具有極強的穿透性,那些中微子是從地球的另一面來的,它們穿透地球,來到了北半球,來到了中微子探測器中。這表明,宇宙深處確實發生了某種特別的事情……


  在日本岐阜縣,深達1000米的地下有一個圓柱形大容器,容器里面裝載的是純水,它就是神岡中微子探測器,可以探測到來自宇宙深處的中微子。探測中微子是一個很乏味的工作,長期以來,沒有什么進展。但是,在1987223日,這個探測器接收到了來自宇宙深處的中微子,純水中的那些光電管發出了11次閃光,它告訴科學家,有中微子闖入了探測器。

  于是,值班員開始把望遠鏡對準了太空,但是很遺憾,他們沒有找到什么特別的目標。與此同時,世界其他地方的探測器也接收到了中微子信號,美國的探測器接收到了8個中微子,俄羅斯的探測器接收到了5個中微子,值班員也把望遠鏡對準了天空,可惜的是,它們也找不到目標。這三個探測器幾乎同時接收到中微子,中微子爆發歷時少于13秒。這表明,宇宙深處確實發生了某種特別的事情。



拍攝于1990年的超新星1987A


  第二天,在南半球的智利,兩個天文學家在觀測大麥哲倫星云,他們發現了一顆超新星,同一天,在南半球的新西蘭,阿爾伯特·瓊斯也觀測到了這顆超新星。消息傳開之后,那些中微子探測器的值班員們恍然大悟,他們要尋找的目標就是這顆超新星,是它的爆發導致了探測器的中微子流。


超新星1987A


  他們之所以沒找到目標,是因為他們都在北半球,看不到南半球星空。他們忽視了中微子的一個重要特性。中微子具有極強的穿透性,那些中微子是從地球的另一面來的,它們穿透地球,來到了北半球,來到了中微子探測器中。導致中微子流的超新星被稱為1987A,在中微子流爆發之后的3個小時,它的光就來到了地球,可惜那個時刻,南半球的天文學家沒有注意。


超新星1987A


  中微子被稱為微觀世界的隱身人,任何物質也休想阻擋它們前進的步伐。超新星爆炸之后,碎片彌漫了周圍的空間,阻擋了光的到來,但是,中微子卻不在乎這些碎片,它們是宇宙最可靠的信使,它們穿過碎片和塵埃,一往無前地飛奔,向外界報告這個重大的變化。那些中微子探測器就是為了迎接這個宇宙信使而準備的,讓我們得知宇宙深處的變化。超新星1987A的被發現過程表明,中微子確實是最忠實的信使。


戴上了“珍珠項鏈”

  超新星1987A爆發的時候,哈勃望遠鏡還不存在,當它被升上天空之后,當然要做最重要的工作,科學家們想讓這顆人類最了不起的“眼睛”好好看看這顆超新星究竟長得啥模樣。拍攝于1994年的哈勃望遠鏡照片顯示,超新星1987A像一個圓環,這個圓環并不稀奇,它應該早就存在。據說,超新星在爆發以前是一顆藍色的超巨星,大約在20000年前,這顆藍色的超巨星表面發生了氣體膨脹,這些膨脹的氣體在它的周圍形成了一個氣體環,它被這個氣體環環繞著。這個圓環并不明亮,我們一般看不到它。



1987A爆發前后對照


  但是,當超新星爆發的時刻,爆發產生出來的猛烈激波向周圍擴散,移動在最前面的激波到達氣體環時,它與那里的物質發生了猛烈的撞擊,出現了一個個熱斑,這些熱斑具有較高的亮度,成為了亮點,隨著更多的激波到達氣體環的內側,更多的亮點產生了。它們的溫度從幾千攝氏度到幾十萬攝氏度不等,氣體環中的這些亮點一個個連接起來,就像一條珍珠項鏈。



拍攝于2011年的1987A


  這個項鏈也并不是不變的,在未來的幾年里,隨著更多激波能量的到達,整個環里的物質都會發光,到那時,點點珍珠就消失了,它們會聯成一個完整的環。美國哈佛·史密森天體物理中心的羅伯特·科什納感嘆說:“我們過去簡單的認為,超新星的爆炸呈圓形,超新星1987A的爆炸碎片殘骸其實呈橢圓形,并非球形;飛速噴濺的碎片正在撞入數千年前形成的氣體環中。”



拍攝于2003年的1987A已經出現20多粒珍珠


  這個“珍珠項鏈”是用哈勃望遠鏡拍攝出來的最具有藝術魅力的一幅照片,它是用地面望遠鏡無法看清楚的,從此之后,哈勃望遠鏡養成了一個習慣,它幾乎每年都要給1987A拍攝一張照片,讓科學家好好研究這顆超新星。


迷霧中的三環超新星

  如果僅僅有這么一個珍珠環,科學家還可以勉強對它做出這樣的解釋,但是,1987A卻并不那么簡單,它十分不同尋常,就在這個“珍珠項鏈”的外側,它還有兩個環,這個超新星被三個環包圍著,天文學家試圖對這三個環的形成原因做出解釋,但是,所有的理論都變得難以自圓其說,這使天文學家極度困惑。



1987A的“珍珠項鏈”從1994年到2003年的變化


  看著外側那兩個光環,科學家們只是隱隱約約地感覺到,這可能與磁場有關,兩名日本科學家對此作了一些嘗試性的解釋,九州大學教授田中高史和湘南工科大學教授鷲見治一使用計算機演示了這個過程,他們認為是引力和磁場共同導致了這種結果。他們說:“中間的這個環是最早形成的,在這個環的上面和下面,分別受到引力和磁場的影響,引力把環剝離,在南極和北極分離出另外兩個環。”



超新星1987A的背景


  盡管他們的計算機成功地演示了這個過程,但依然有很多問題無法解釋。畢竟,1987A出現的歷史太短了,我們科學的歷史也太短了。科什納感嘆說:“真實世界的復雜和有趣遠遠超過了我們的想象,總是挑戰我們的固有理論。”


400年一遇的客人

  恒星是由于核聚變而發光的,當它年邁的時候,無法提供足夠的能量,就會導致引力坍縮,把外側的物質拋撒出去,而內部則收縮成一顆致密的中子星或白矮星,這個過程就是超新星爆發。它會釋放出巨大的能量,讓這顆恒星一下子變得非常的亮,超新星1987A爆發的能量相當于它自己一輩子釋放出能量的總和,一個擁有10億顆恒星的星系,在它的面前也會顯得黯然失色。所以,超新星爆發就是一顆恒星的死亡過程。



超新星1987A
爆發


  爆發的亮度通常會持續幾個月或者一年多時間,天體物理學家馬丁說:“如果你看到一個亮點只持續幾秒鐘的時間,它通常是流星”。所以,超新星爆發是很難見到的事情,但這并不是說超新星很少,在廣漠的宇宙中,每時每秒都會有超新星爆發,只是它們距離我們太遠,不能被發現,即使專業天文學家,也只能在大型望遠鏡拍攝的多張照片上對比才能發現超新星。



超新星1987A


  超新星爆發會把大量的物質拋撒到宇宙中,我們地球上的重元素就是它們給予的,在科幻作家的筆下,超新星爆發還會激發生命的基因突變,產生變種。但是,我們地球人不需要担心爆發的能量影響地球,無須顧慮自己的安全,天文學家認為,30光年是一個安全的距離,在這個距離之內才有危險,而1987A距離我們16萬8000光年。

  在古代中國,看到突然出現的一顆超新星,我們的祖先認為它是天空中的客人,被稱為客星,最著名的是于公元10547月爆發的天關客星,它留下了蟹狀星云,蟹狀星云的中心有一顆脈沖星,脈沖星證明過去曾經發生過超新星爆發。



天關客星
爆發留下的蟹狀星云


  1604年,開普勒也發現了一顆超新星,這是一顆銀河系的超新星,距離我們較近,它在兩年多的時間內一直可以被看到,最亮的時候成為天空中最亮的星,它留下了殘骸。在此后的400年間,沒有出現過肉眼可見的超新星。雖然銀河系和許多河外星系中都已經觀測到了數百顆超新星。可是在歷史上,人們用肉眼直接觀測到并記錄下來的超新星卻寥寥無幾。1987A是開普勒發現那顆超新星的400年之后,在天空中的重新登場,它是400年來人們第一次遇到的客人。


等待神秘主角的登場

  天關客星爆發的時候有沒有形成三個環?開普勒超新星爆發的時候有沒有形成三個環?那時候沒有望遠鏡,人們不知道,如今,科學家有一個機會,可以仔細地觀察這顆超新星。1987A在爆發3個月之后的5月,亮度達到最大,相當于三等星的亮度,用肉眼可以看到,然后它就漸漸暗淡下來,但是它的環卻越來越明亮。科學家已經觀測了它28年,持續28年的觀測就是要等待神秘主角的出現。



超新星1987A在擴張中的遺骸位于影像中心附近


  在1987A的中心應該有一顆星體的殘骸,它才是真正的主角,是它導致了三個環的存在。但是,在每年拍攝的照片中都看不到它,有人懷疑,也許它是一顆脈沖星,遺憾的是,經射電望遠鏡證實,那里沒有脈沖信號。它還有可能是一顆中子星,不發出脈沖輻射,這樣,用射電望遠鏡就無法看到它。



超新星1987A殘骸


  于是,科學家們用最先進的射電望遠鏡系統聯合出手,去尋找這個神秘的客人,利用智力的阿塔卡馬毫米波陣列和澳大利亞望遠鏡緊湊陣列的聯合觀測,能夠辨別超新星沖擊波結構的不同部位發出的輻射。2014年底,科學家們發現了某些從未見過的信號,其位置就在死亡恒星的核心部位,這似乎預示著神秘的主角將要出現。但是,用光學望遠鏡拍攝的照片依然看不到1987A的內部結構,那么,爆炸留下的殘骸究竟是什么?科學家對此還是一無所知。

  只有外圍的這個“珍珠項鏈”向我們炫耀著它的年輕,還有它外圍的兩個環,炫耀著它的神秘。2015年,距離它爆發的時間已經過去了28年,天文學家還在繼續等待著硝煙的散去,等待著那個神秘的主角登場。


作者:北辰

來源:蝌蚪五線譜


2015-08-23 08:56

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