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揭秘中微子:宇宙信使穿透地球來報告什么?

2015-07-02

  三個探測器幾乎同時接收到中微子,中微子爆發(fā)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(fā)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1987年2月23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(fā)出了11次閃光,它告訴科學(xué)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(fā)歷時少于13秒。這表明,宇宙深處確實發(fā)生了某種特別的事情。

  拍攝于1990年的超新星1987A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(xué)家在觀測大麥哲倫星云,他們發(fā)現(xiàn)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(fā)導(dǎo)致了探測器的中微子流。

  超新星1987A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(dǎo)致中微子流的超新星被稱為1987A,在中微子流爆發(fā)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(xué)家沒有注意。

  超新星1987A超新星1987A

  中微子被稱為微觀世界的隱身人,任何物質(zhì)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(fā)現(xiàn)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(fā)的時候,哈勃望遠鏡還不存在,當(dāng)它被升上天空之后,當(dāng)然要做最重要的工作,科學(xué)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(huán),這個圓環(huán)并不稀奇,它應(yīng)該早就存在。據(jù)說,超新星在爆發(fā)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(fā)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(huán),它被這個氣體環(huán)環(huán)繞著。這個圓環(huán)并不明亮,我們一般看不到它。

  1987A爆發(fā)前后對照1987A爆發(fā)前后對照

  但是,當(dāng)超新星爆發(fā)的時刻,爆發(fā)產(chǎn)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(huán)時,它與那里的物質(zhì)發(fā)生了猛烈的撞擊,出現(xiàn)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(huán)的內(nèi)側(cè),更多的亮點產(chǎn)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(huán)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(huán)里的物質(zhì)都會發(fā)光,到那時,點點珍珠就消失了,它們會聯(lián)成一個完整的環(huán)。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(shù)千年前形成的氣體環(huán)中。”

  拍攝于2003年的1987A已經(jīng)出現(xiàn)20多粒珍珠拍攝于2003年的1987A已經(jīng)出現(xiàn)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(shù)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(yǎng)成了一個習(xí)慣,它幾乎每年都要給1987A拍攝一張照片,讓科學(xué)家好好研究這顆超新星。

  迷霧中的三環(huán)超新星

  如果僅僅有這么一個珍珠環(huán),科學(xué)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(cè),它還有兩個環(huán),這個超新星被三個環(huán)包圍著,天文學(xué)家試圖對這三個環(huán)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(xué)家極度困惑。

  1987A的“珍珠項鏈”從1994年到2003年的變化1987A的“珍珠項鏈”從1994年到2003年的變化

  看著外側(cè)那兩個光環(huán),科學(xué)家們只是隱隱約約地感覺到,這可能與磁場有關(guān),兩名日本科學(xué)家對此作了一些嘗試性的解釋,九州大學(xué)教授田中高史和湘南工科大學(xué)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(dǎo)致了這種結(jié)果。他們說:“中間的這個環(huán)是最早形成的,在這個環(huán)的上面和下面,分別受到引力和磁場的影響,引力把環(huán)剝離,在南極和北極分離出另外兩個環(huán)。”

  超新星1987A的背景超新星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(xiàn)的歷史太短了,我們科學(xué)的歷史也太短了??剖布{感嘆說:“真實世界的復(fù)雜和有趣遠遠超過了我們的想象,總是挑戰(zhàn)我們的固有理論。”

  400年一遇的客人

  恒星是由于核聚變而發(fā)光的,當(dāng)它年邁的時候,無法提供足夠的能量,就會導(dǎo)致引力坍縮,把外側(cè)的物質(zhì)拋撒出去,而內(nèi)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(fā)。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(fā)的能量相當(dāng)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(fā)就是一顆恒星的死亡過程。

  超新星1987A爆發(fā)超新星1987A爆發(fā)

  爆發(fā)的亮度通常會持續(xù)幾個月或者一年多時間,天體物理學(xué)家馬丁說:“如果你看到一個亮點只持續(xù)幾秒鐘的時間,它通常是流星”。所以,超新星爆發(fā)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(fā),只是它們距離我們太遠,不能被發(fā)現(xiàn),即使專業(yè)天文學(xué)家,也只能在大型望遠鏡拍攝的多張照片上對比才能發(fā)現(xiàn)超新星。

  超新星1987A超新星1987A

  超新星爆發(fā)會把大量的物質(zhì)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(fā)還會激發(fā)生命的基因突變,產(chǎn)生變種。但是,我們地球人不需要擔(dān)心爆發(fā)的能量影響地球,無須顧慮自己的安全,天文學(xué)家認為,30光年是一個安全的距離,在這個距離之內(nèi)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(xiàn)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1054年7月爆發(fā)的天關(guān)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(jīng)發(fā)生過超新星爆發(fā)。

  天關(guān)客星爆發(fā)留下的蟹狀星云天關(guān)客星爆發(fā)留下的蟹狀星云

  1604年,開普勒也發(fā)現(xiàn)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(nèi)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(xiàn)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(jīng)觀測到了數(shù)百顆超新星??墒窃跉v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(fā)現(xiàn)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(guān)客星爆發(fā)的時候有沒有形成三個環(huán)?開普勒超新星爆發(fā)的時候有沒有形成三個環(huán)?那時候沒有望遠鏡,人們不知道,如今,科學(xué)家有一個機會,可以仔細地觀察這顆超新星。1987A在爆發(fā)3個月之后的5月,亮度達到最大,相當(dāng)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(huán)卻越來越明亮??茖W(xué)家已經(jīng)觀測了它28年,持續(xù)28年的觀測就是要等待神秘主角的出現(xiàn)。

  超新星1987A在擴張中的遺骸位于影像中心附近超新星1987A在擴張中的遺骸位于影像中心附近

  在1987A的中心應(yīng)該有一顆星體的殘骸,它才是真正的主角,是它導(dǎo)致了三個環(huán)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(jīng)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(fā)出脈沖輻射,這樣,用射電望遠鏡就無法看到它。

  超新星1987A殘骸超新星1987A殘骸

  于是,科學(xué)家們用最先進的射電望遠鏡系統(tǒng)聯(lián)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(lián)合觀測,能夠辨別超新星沖擊波結(jié)構(gòu)的不同部位發(fā)出的輻射。2014年底,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)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(yù)示著神秘的主角將要出現(xiàn)。但是,用光學(xué)望遠鏡拍攝的照片依然看不到1987A的內(nèi)部結(jié)構(gòu),那么,爆炸留下的殘骸究竟是什么?科學(xué)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(huán),炫耀著它的神秘。2015年,距離它爆發(fā)的時間已經(jīng)過去了28年,天文學(xué)家還在繼續(xù)等待著硝煙的散去,等待著那個神秘的主角登場。


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