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網管 - 科學新知 | 2014-01-05 15:20:28

   作者: 撰文/賈雅沃德哈納(Ray Jayawardhana)翻譯/李沃龍   科學人雜誌 – 2014年1月

         天文物理學家正準備迎接我們星系裡恆星爆炸產生的微中子,並希望這些次原子粒子能讓我們深刻了解恆星的死亡歷程。

 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。

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。

比光速還快?

已過世的巴寇(John Bahcall)當時任職於美國紐澤西州的普林斯頓高等研究院,SN 1987A的發現讓他興奮過頭因而失眠。其實巴寇的興奮是可以理解的,因為他知道這起宇宙劇變事件中最早也可能是最重要的報訊者,應該在天文學家使用傳統望遠鏡觀測超新星的幾個小時前,便抵達地球了。依據恆星演化理論的模型,他很清楚大質量恆星在臨終時的核心塌縮將造成微中子大爆發,而它們會毫無阻礙地飛離恆星深處的爆炸位置。當恆星外層的覆蓋物炸開之後,煙火大會才正式開始。在巴寇聽聞SN 1987A消息的幾分鐘之後,便與兩名同事著手計算地球上各種微中子偵測器應能記錄到的微中子數目。他們算出應該能記錄到數十顆微中子,並在一星期內把結論寫成論文,投稿到科學期刊《自然》,以便能在實際測量結果出現前搶先登出。

與此同時,實驗物理學家已開始蒐集世界各地微中子偵測器記錄到的數據。最有可能記錄到超新星微中子的是位於日本的神岡微中子偵測實驗(Kamiokande experiment),它的偵測器是由四層樓高、盛滿純水的圓柱水槽構成,周圍佈滿了1000根光電管以記錄微中子與水分子作用時產生的閃光。若無法記錄到來自SN 1987A的微中子,可能代表著我們對超新星爆發機制的理解有著某種基本缺陷。

幸好微中子訊號清楚出現在數據裡,讓全球的科學家如釋重負,也對微中子來源不再有任何懸念。在智利與紐西蘭的天文學家目睹超新星的三小時前,神岡微中子偵測實驗的光電管便在數秒內偵測到11顆微中子。在相同時間,位於美國俄亥俄州克里夫蘭附近伊利湖地底下的淺層鹽礦裡,一具類似的微中子偵測器也記錄到8顆微中子(編按:這具「爾灣–密西根–布魯克海文偵測器」原先用於偵測核衰變事件,卻因偵測到微中子而聞名)。稍後,在俄羅斯高加索山脈的巴克桑微中子觀測站,科學家得知在第三具盛滿油的偵測器也記錄到5顆微中子。

這24顆被偵測到的微中子只是掃過我們行星上百億顆微中子的一小部份,它們全都來自於LMC中那顆爆炸恆星的核心。由於這三座微中子「天文台」都位在北半球,而LMC在南半球的天空上,這些微中子必定穿過我們行星內部,從地球的一側到另一側,由地底進入偵測器中。

只偵測到區區24顆粒子,聽來似乎沒什麼特別的,但這些微中子的重要性在於它們早已是歷年數百篇科學論文探討的主題。SN 1987A是我們除了太陽之外第一個觀測到的微中子天體源。如同美國俄亥俄州立大學的理論物理學家貝坎(John Beacom)所說:「微中子允許我們觀看臨終時的大質量恆星內部,所以物理學家可以從事天文學家永遠無法辦到的天文物理學研究。

雖然被偵測到的超新星微中子數量稀少,但是它們驗證了大質量恆星爆炸時的一些重要細節。天文物理學家對於他們測得的微中子數目與能量,能符合恆星爆炸事件的理論計算預測,感到非常高興。理論與觀測間的完美契合,讓研究人員認定超新星並未經歷其他神秘過程而喪失能量。例如微中子會發射稱為軸子(axion)的假設性粒子,或者會逸散進入難以理解的額外維度。微中子在幾秒鐘內陸續抵達,並非全擠在同一時刻到達,證實了它們必須花費一些時間,才能掙脫極緻密而緊縮的核心,一如理論的預測。

此外,這些測量結果也顯現出關於微中子本質的線索。因為在人們拍攝到超新星的三小時前,微中子便抵達地球,它們的速度必然非常接近光速。由於較輕的粒子能比較重的粒子移動得更快,所以科學家推測微中子質量一定非常微小。事實上,根據SN 1987A微中子的抵達時間,科學家才證實微中子除了數量驚人外,不太可能用來解釋充斥於宇宙間的神秘「暗物質」(dark matter)。尤其是在2011年,當媒體瘋狂報導關於微中子行進得比光還快時,SN 1987A的觀測結果便是一項強而有力的反駁證據。假如這些粒子的速度真的如同實驗最初的報告一樣,則來自於SN 1987A的微中子爆發,就不會只比可見光早區區數個小時,而應該在數年前便已抵達地球了。

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