本期文章

等待超新星微中子

撰文/賈雅沃德哈納(Ray Jayawardhana)翻譯/李沃龍    

重點提要

■當恆星爆炸時,耀眼的光芒提醒天文學家有顆超新星正在爆發。超新星的爆發同時會噴發出大量的微中子,它們雖然較難以偵測,卻可能更有價值。

■在我們銀河系附近發生的上一起超新星爆發事件是在1987年,當時物理學家偵測到24顆微中子,那些粒子提供了關於超新星與微中子的重要線索。

■在我們銀河系附近隨時可能會發生超新星爆發,景象更加壯觀。先進偵測器可能會攔住數千至數百萬顆微中子,為恆星的物理學提供嶄新的視野。


恆星噴發:大質量恆星海山二星(Eta Carinae)距離太陽約7500光年,有朝一日終將爆炸成絢爛奪目的超新星。(照片提供/科學人)
1987年2月24日凌晨一、兩點左右,在智利拉斯坎培那斯的山頂上,薛爾頓(Ian Shelton)決定把當晚最後一片照相板顯影後再上床睡覺。薛爾頓是加拿大多倫多大學的駐天文台觀測員,他耗費了許多精力在山頂那具數十載的10吋望遠鏡上,並利用這台小儀器來觀測銀河系的一個夥伴星系——大麥哲倫雲(LMC)。他從顯影槽中取出這片照相板,檢視曝光三小時的拍攝結果。突然間,有件事吸引了他的注意:一個奇怪的亮斑出現在蜘蛛星雲(Tarantula nebula)的蜘蛛狀特徵旁。他不明白這不尋常的亮斑是什麼,因此推測它可能是照相板本身的瑕疵。為了確認原因,他走出天文台,步入山上乾燥的空氣裡,抬頭仰望天空。他看見LMC裡有顆明亮恆星,是今晚之前未曾見過的,於是急忙跑到山脊上另一座天文台去分享這則消息。

當他在控制室裡和天文學家馬道爾(Barry Madore)、康凱爾(William Kunkel)討論這項意外發現時,智利籍的望遠鏡操作員杜哈德(Oscar Duhalde)透過對講機說,幾個小時前他走出天文台休息片刻時,也看到了那顆恆星。他們四人一起確認了那顆「新」恆星應該是顆「超新星」(supernova),也就是恆星亮度能夠暫時比10億顆太陽更亮的恆星爆炸事件。在目前已知的天體中,沒有其他天體能有如此劇烈的亮度變化:前一晚因亮度太微弱以至於連照相板都記錄不到,今晚卻突然能以肉眼輕易瞧見。這表示薛爾頓與杜哈德剛在銀河系的衛星星系裡,發現了一顆超新星。幾個小時後,紐西蘭一位業餘天文學家也獨自發現了這起事件。

在上午10點左右,透過同事所撥的電話和國際天文聯合會(IAU)的電報,全球科學家都已得知這項發現。大家欣喜若狂,因為在人類發明望遠鏡將近四個世紀之後,「超新星1987A」(SN 1987A)是我們在鄰近星系裡發現的第一顆超新星。

天文學家急忙利用功能強大的觀測工具,包括位於南半球各地的可見光、紅外光與無線電望遠鏡,以及太空船上的X光與紫外光儀器,來觀測那正在LMC裡發生的重大事件。幾乎沒有科學家經歷過這麼一段滿是觀測活動的時期,就如某位興高采烈的天文物理學家所言:「那好像在過耶誕節一樣。」

這些對SN 1987A所做的研究,大致符合理論學家在超級電腦上利用複雜的數值模擬而發展出來的理論。超新星理論描述年老的大質量恆星如何自我毀滅,並預測恆星核心會塌縮成為極緻密的中子球(又稱中子星)或黑洞,整顆恆星的外層大氣則高速噴發、逸散而形成閃亮的殘骸雲。不過,並非只有天文學家在慶祝而已。對粒子物理學家而言,超新星的其他觀測將為微中子這種鬼魅般次原子粒子的本質提供重要線索。綜合SN 1987A在各方面的研究,科學家已經對我們星系裡發生類似的恆星塌縮事件充滿期待。這類事件隨時可能發生,並解答關於恆星死亡與微中子本質,這些長久以來、懸而未決的問題。這一次,微中子獵人可能是第一批偵測到這類事件的人。


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