宇宙天文：新的超新星預(yù)警系統(tǒng)將預(yù)測宇宙奇觀


發(fā)現(xiàn)于1987年，1987A號超新星是自1604年以來我們發(fā)現(xiàn)的距離地球最近的超新星。它位于大麥哲倫星系（Large Magellanic Cloud），一個臨近銀河系的矮星系。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(yè)余的天文愛好者和專業(yè)人士，馬上就會擁有一個新的警報系統(tǒng)，這個系統(tǒng)可以提醒他們，我們星系中的某個恒星正在垂死掙扎。搭載在長島布魯克黑文國家服務(wù)器(Brookhaven National Laborator)上的超新星爆炸預(yù)警系統(tǒng)（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系內(nèi)超新星爆發(fā)預(yù)警——一個一生難得遇見一次的事件。
取決于爆發(fā)核心的性質(zhì)，爆發(fā)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，由于它和其他物質(zhì)相互作用極其微弱的性質(zhì)，是超新星爆發(fā)事件絕佳的預(yù)警指標。如果一個恒星的內(nèi)核在其爆發(fā)之前就坍塌了，它將會噴發(fā)出近乎光速的中微子，并迅速逃逸。 SNEWS系統(tǒng)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(fā)預(yù)警。
科學家們觀察到的絕大多數(shù)超新星爆發(fā)事件都發(fā)生在遙遠的星系。在那里，它們短暫地閃耀，使它們周圍的星系黯然失色。但在距離更近的地方觀察爆發(fā)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，在那里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?nèi)祟惖男纬沙蔀榭赡?。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(fā)后將這些元素散播到宇宙中的對應(yīng)恒星種類。然而許多科學家認為，如果能從恒星爆發(fā)最初時刻就開始觀察，我們也許會有意想不到的發(fā)現(xiàn)。1987年2月23日，一個超新星在南部天區(qū)爆發(fā)，然而幾小時之后我們才發(fā)現(xiàn)我們喪失了現(xiàn)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?yōu)槌滦堑暮阈欠N類和超新星爆發(fā)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(fā)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(jīng)在遙遠的星系發(fā)現(xiàn)了超過5000個超新星爆發(fā)事件。錯過在我們附近發(fā)生的爆發(fā)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(fā)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(chuàng)建者?！拔覀児烙嫷陌l(fā)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(fā)的早期光對于理解爆發(fā)的恒星和爆發(fā)前周圍的環(huán)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
觀察星系內(nèi)的恒星爆發(fā)事件，可以幫助我們解決在物理學中具有挑戰(zhàn)性的基本問題，Kasliwal說。他在加洲帕洛瑪天文臺負責望遠鏡的工作，并且他沒有參與到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？”?！坝腥丝赡苷J為這是一個十分簡單的問題：重的恒星變?yōu)楹诙矗p的恒星變成中子星。然而實際情況可比這復(fù)雜多了。”
為了迎接SNEWS 2.0的到來，Kasliwall領(lǐng)導(dǎo)了一次名為Palomar Cattini-IR的遠紅外望遠鏡調(diào)查，以收集銀河系中很可能即將成為超新星恒星的詳細信息?！拔覀儗⒁粭l恒星爆發(fā)前的超長基線，以分析恒星爆發(fā)前的結(jié)構(gòu)，”Kaliwal說，“一旦它爆炸，我們就可以做高分辨的光譜分析，并且捋清爆炸物理學中的細節(jié)，關(guān)于這些細節(jié)我們僅有一些不錯的猜想”。
超新星爆發(fā)早期預(yù)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(zhuǎn)換到另一個“味”的。同時由于超新星內(nèi)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(gòu)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(fā)前發(fā)射的中微子強度遠低于其爆發(fā)時發(fā)射的中微子強度，這使得目前只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，并且結(jié)合多個探測器的信號，系統(tǒng)可以探測到的爆發(fā)前中微子信號的范圍將很快擴展到銀河系中心。一篇介紹SNEWS 2.0的文章將很快發(fā)表在New Journal of Physics上。這篇文章的預(yù)印本已經(jīng)可在網(wǎng)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(fā)這一系統(tǒng)時，規(guī)劃了這個系統(tǒng)的首要任務(wù)就是將錯誤的報告控制在一世紀一次左右?！艾F(xiàn)在，由于捕捉冒險信號的人們佳音不斷，”當Habig標記其他天文臺送來的錯誤報告和試運行結(jié)果時，“SNEWS的信號訂閱者說：“你們?yōu)楹尾唤o我們發(fā)一些模擬信號的數(shù)據(jù)呢？我們也想練習?！?br> Habig說“我們計劃發(fā)布不同等級的信號，所以你和你的望遠鏡就可以選擇一種：‘我們只想捕捉那些十分可信的事件’，或者是‘我們想要碰碰運氣，并追蹤一切信號’。人們可以根據(jù)不同等級的信號做出不同的響應(yīng)?！?br>

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(fā)事件。這同時加快了預(yù)警速度，減少了錯過那些核心坍塌和電磁輻射爆發(fā)間隔較短爆發(fā)事件早期的概率。
沒有哪一個課題組會比業(yè)余愛好者更加急于抓住幽靈預(yù)警，寄希望于最終抓住真的爆炸事件，據(jù)美國變星觀測者協(xié)會（American Association of Variable Star Observers AAVSO）的CEO Stella Kafka說，許多AAVSO的成員都是業(yè)余觀察者，他們十分希望能夠測試來自SNEWS的錯誤信號。 Kafka說“我們的志愿者都非常投入，他們十分希望能留下屬于自己的腳印”。作為一項附加獎勵，所有的天文學家包括業(yè)余愛好者，只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(huán)球科學


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