絢麗的“宇宙煙花”，其實(shí)只是超級爆炸的“冰山一角”

2025年8月26日，江門中微子實(shí)驗(yàn)正式運(yùn)行，這個(gè)位于地下700米處的大科學(xué)裝置肩負(fù)著深入探索中微子性質(zhì)的重任。自從著名物理學(xué)家泡利從理論上論證中微子的存在以來，人類對這種奇異粒子的研究已經(jīng)經(jīng)歷了近百年的歷程。牛津大學(xué)教授弗蘭克·克洛斯在《中微子》一書中就以太陽中微子及其主要研究者戴維斯、彭蒂科沃和巴考爾為主線，帶領(lǐng)讀者回顧了物理學(xué)家對太陽中微子、大氣中微子、河外中微子、中微子振蕩等問題的研究。

1987年，一次發(fā)生在銀河系外的超新星爆發(fā)徹底改變了我們認(rèn)識宇宙的進(jìn)程。超新星爆發(fā)是最絢麗的“宇宙煙花”，而通過以下克洛斯的文字我們就會知道，不可見的中微子才攜帶了超新星爆發(fā)的絕大部分能量。物理學(xué)家們也足夠好運(yùn)，用剛剛建成的中微子探測器就記錄到了這次百年不遇的壯觀事件。

1987年2月23日格林尼治時(shí)間7點(diǎn)30分，你在哪里呢？當(dāng)時(shí)我在吃早餐，渾然不覺有一束中微子穿過了我的玉米片。雖然我們始終沐浴在太陽中微子的洪流中，但那個(gè)二月的清晨突然襲來的中微子卻截然不同。這是來自17萬光年外的大麥哲倫云（LMC），南半球可見的銀河系伴星系中垂死恒星的強(qiáng)烈爆發(fā)。天體物理學(xué)家25年多來始終認(rèn)為，超新星的引力塌縮會產(chǎn)生大量的中微子。實(shí)際上他們指出，超新星標(biāo)志性的炫目閃光，那種能短暫照亮整個(gè)星系的傳統(tǒng)天文現(xiàn)象只是這場宇宙戲劇的次要部分。盡管電磁輻射的強(qiáng)度驚人，但所有可見光、射電、X射線以及伽馬射線能量的總和還不到總釋放量的1%。超新星輻射的絕大部分能量，其實(shí)是通過中微子攜帶釋放的。

▲多臺觀測設(shè)備在不同波段拍攝的1987年爆發(fā)的超新星SN 1987A的遺跡

過去，這些中微子是不可見的，但如今有了中微子望遠(yuǎn)鏡就不同了。令人振奮的是，我們首次探測到了來自銀河系外的中微子，并驗(yàn)證了超新星理論的正確性：當(dāng)恒星塌縮時(shí)，它們會以中微子的形式釋放能量，總量高達(dá)1059個(gè)中微子瞬間迸發(fā)。

能夠探測到這顆超新星釋放的中微子本身就是一個(gè)幸運(yùn)的巧合，絕對不是人為刻意安排的結(jié)果。人類肉眼可見的上一次超新星爆發(fā)還要追溯到1604年，這之后三個(gè)多世紀(jì)都未曾觀測到新的超新星，直到1987年這顆超新星的突然爆發(fā)。

實(shí)際上，這場劇烈的爆發(fā)事件真正發(fā)生在17萬年前的大麥哲倫云中。一束強(qiáng)光與中微子沖擊波從殘骸中迸發(fā)而出。它們以每分鐘1600萬公里的速度急速逃離爆發(fā)現(xiàn)場，穿越麥哲倫云，在星系空間中呼嘯前行，那個(gè)時(shí)候距離它們命中注定的1987年之約，還有漫漫星海有待跨越。

在它們前方橫亙著銀河系，其中的一條旋臂上，小小的地球行星已演進(jìn)至石器時(shí)期。這個(gè)輻射殼層持續(xù)擴(kuò)散了16.5萬年。當(dāng)它行進(jìn)到距離地球3000光年時(shí)，地中海沿岸的先民正開始仰望星空，孕育著科學(xué)的萌芽。至二十世紀(jì)三十年代，他們的后裔逐漸意識到放射性衰變可能產(chǎn)生中微子，但當(dāng)時(shí)學(xué)界普遍質(zhì)疑人類是否真能捕捉到這種幽靈粒子。

與此同時(shí)，塌縮恒星爆發(fā)的中微子浪潮正穿越南天星域向地球逼近。當(dāng)克萊德·柯溫與弗萊德·萊恩斯以精妙實(shí)驗(yàn)證實(shí)了中微子存在時(shí)，這束粒子波尚距地球31光年。待到雷·戴維斯在霍姆斯特克礦井地下實(shí)驗(yàn)室啟動太陽中微子探測器時(shí)，爆發(fā)波仍然遠(yuǎn)在23光年之外。這個(gè)裝置雖然能捕捉太陽中微子，卻幾乎無法探測超新星爆發(fā)產(chǎn)生的粒子洪流。然而當(dāng)這束奔涌的中微子僅剩一光年航程，即僅為其17萬年星際穿越之旅的最后百萬分之六的距離時(shí)，美日科學(xué)家恰好完成了地下巨型純凈水罐的建造，而這些裝置原本是設(shè)計(jì)用于探測質(zhì)子衰變跡象的。

日本神岡探測器作為超級神岡（SuperK）的前身，內(nèi)部裝有3000噸高純度水。與此同時(shí)，在大西洋彼岸的俄亥俄州伊利湖湖床下方600米深處，由加州大學(xué)爾灣分校、密歇根大學(xué)與布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室組成的IMB合作組，也在一座蓄有7000噸水的巨型水箱中尋找質(zhì)子衰變跡象。

▲日本超級神岡探測器

雖然沒能捕捉到質(zhì)子衰變的蛛絲馬跡，這兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)卻意外地具備了探測高能中微子的靈敏度，其能量遠(yuǎn)超太陽中微子。當(dāng)時(shí)無人知曉，一堵由這類粒子構(gòu)成的激波鋒面正以光速奔襲而來。17萬年前迸發(fā)的1059個(gè)中微子，此刻已鋪展成半徑達(dá)17萬光年的球面，足以包裹整個(gè)銀河系了。激波殼層厚度約為地月距離的十倍，這源于中微子從如巨型原子核般致密的塌縮星體中逃逸所需要的數(shù)秒時(shí)間差。如果計(jì)算這個(gè)直徑為34萬光年的球殼內(nèi)1059個(gè)中微子的密度，竟然和太陽持續(xù)輻射至地球的中微子通量相當(dāng)。要知道太陽中微子來自僅有8光分之遙的太陽核聚變，而超新星中微子跨越了17萬光年仍保持如此強(qiáng)度，由此可見恒星爆發(fā)的劇烈程度。更令人震撼的是，每個(gè)超新星中微子攜帶的能量可達(dá)主流通道產(chǎn)生的太陽中微子能量的十倍至百倍。

最終，在1987年2月23日，這些中微子抵達(dá)了地球，徑直穿透地殼，繼續(xù)向北方天空行進(jìn)。在一秒鐘內(nèi)，就有千萬億量級的中微子穿過了IMB探測器，同樣龐大的數(shù)量也掠過了神岡探測器，可以確定的是，霍姆斯特克礦場及其他實(shí)驗(yàn)室的裝置也經(jīng)歷了同樣的中微子洪流。然而，當(dāng)時(shí)僅有IMB與神岡探測器具備捕捉它們的能力。在這浩如煙海的粒子群中，IMB僅捕獲到8個(gè)攜帶足夠能量被記錄的信號，而神岡則觀測到了11個(gè)。值得注意的是，位于日本和美國的探測器均位于北半球，而大麥哲倫云僅在南天肉眼可見。這意味著，超新星爆發(fā)產(chǎn)生的中微子先是穿透整個(gè)地球，再從探測器底部向上入射。

IMB與神岡探測器最大的優(yōu)勢之一，就是二者均能夠測量中微子的方向與能量。太陽中微子單粒子能量大多不足1兆電子伏（MeV），而戴維斯的霍姆斯特克氯基實(shí)驗(yàn)所捕捉的最高能粒子也不過14MeV。相比之下，此次超新星爆發(fā)檢測到的中微子能量分布在10-50MeV區(qū)間。神岡探測器捕捉到11個(gè)10-20MeV的中微子，而IMB裝置因?qū)@類相對低能的粒子不敏感，僅記錄到8個(gè)能量介于20-50MeV的高能事件。

科學(xué)家僅憑這寥寥數(shù)個(gè)探測事件，就能推導(dǎo)出如此豐富的信息，實(shí)在令人驚訝。首先關(guān)于能量，實(shí)際捕獲的中微子數(shù)量相對穿過探測器的萬億級總數(shù)而言，不過是滄海一粟。而探測器本身又僅僅占據(jù)中微子沖擊波當(dāng)時(shí)所經(jīng)龐大球面中微不足道的一隅。綜合考慮這些因素，科學(xué)家得以估算出中微子從超新星攜帶走的總能量。結(jié)果顯示，其總能量約為太陽總能量，即其mc2質(zhì)能的十分之一，這與超新星爆發(fā)理論模型的預(yù)測值驚人吻合。根據(jù)這些理論，爆炸除通過光輻射和新生原子元素的形式釋放能量外，仍然有大量能量封存于爆炸后殘留的致密中子星mc2質(zhì)能中。由此，人們開始真正意識到恒星爆發(fā)的能量規(guī)模何等恢宏。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，超新星爆發(fā)產(chǎn)生的中微子能量遠(yuǎn)超太陽中微子，這一現(xiàn)象立即揭示了恒星塌縮前的核心溫度必然極高。實(shí)際上，塌縮瞬間溫度高達(dá)400億度，與理論預(yù)測值完全吻合。所以中微子的總能量、龐大的總數(shù)量，以及持續(xù)數(shù)秒的爆發(fā)時(shí)間，均與大質(zhì)量恒星在自身引力下塌縮形成的超新星的理論相吻合。

中微子爆發(fā)持續(xù)約十秒這一事實(shí)具有重大的科學(xué)意義。如果這些中微子源自低密度天體的消亡，整個(gè)過程將在千分之一秒內(nèi)結(jié)束。然而，當(dāng)中微子從具有原子核級致密的天體中擴(kuò)散逃逸時(shí)，其爆發(fā)時(shí)間必然延長，實(shí)際觀測到的數(shù)秒逃逸時(shí)間也恰恰進(jìn)行了驗(yàn)證。所有這些證據(jù)都表明中子星在此過程中已經(jīng)形成。盡管天體物理學(xué)家早有推測，即超新星爆發(fā)與中子星誕生存在關(guān)聯(lián)，但這次的中微子觀測首次為這一理論提供了直接證據(jù)。

通過捕捉這次短暫的中微子爆發(fā)，人類首次得以窺視超新星爆發(fā)機(jī)制的真實(shí)圖景。這一發(fā)現(xiàn)全面驗(yàn)證了此前僅停留于理論階段的認(rèn)知：超新星是恒星塌縮形成中子星的天文現(xiàn)象。在此過程中，元素周期表中多種元素得以合成，其中就包含孕育未來生命所需的物質(zhì)基礎(chǔ)。這標(biāo)志著我們距離證實(shí)人類皆為星塵所鑄的這一假說，或者采用更理性的表述，即我們不過是遠(yuǎn)古核反應(yīng)堆遺留產(chǎn)物，邁出了關(guān)鍵的一步。

（本文節(jié)選自《中微子》第10章“河外中微子”，標(biāo)題和配圖為編者所加）

書名：《中微子》

?♂? 作者：[英]弗蘭克·克洛斯

翻譯：楊莉莉

內(nèi)容簡介

《中微子》是英國著名粒子物理學(xué)家弗蘭克·克洛斯撰寫的一部面向大眾的科普著作。本書以生動的筆觸講述了中微子——這種幾乎無質(zhì)量、不帶電、極少與物質(zhì)相互作用的“幽靈粒子”——從理論預(yù)言到實(shí)驗(yàn)探測的百年科學(xué)歷程?？寺逅骨擅钊诤衔锢韺W(xué)史與前沿研究，還原了泡利、費(fèi)米、萊因斯、戴維斯等科學(xué)家的關(guān)鍵貢獻(xiàn)，并穿插了太陽中微子問題、中微子振蕩、超新星爆發(fā)（如1987A）等重大事件，揭示了中微子如何顛覆標(biāo)準(zhǔn)模型并打開新物理之門。全書兼具嚴(yán)謹(jǐn)性與敘事魅力，被譽(yù)為“將最難以捉摸的粒子寫得最引人入勝”的典范。