1987年2月24日凌晨，智利拉斯坎帕纳斯（Las Campanas）山顶，伊恩·谢尔顿（Ian Shelton）决定在睡前冲洗最后一张夜空相片的底片。作为受聘于加拿大多伦多大学的常驻观测员，谢尔顿一直利用山上的小型仪器——已有几十年历史的10英寸望远镜，来观测银河系卫星星系之一的大麦哲伦星云（Large Magellanic Cloud，LMC，简称大麦云）。他将底片从显影槽中举起，查看3小时的曝光结果是否显现了出来。有一样东西突然引起了他的注意：在熟悉的蜘蛛星云（Tarantula nebula，形状类似蜘蛛）旁边，有一个奇怪的亮点。对这个不寻常的光点，他感到奇怪，并猜测这可能是底片本身存在的缺陷。为了确定这一点，他从望远镜观测室走出，在山间干燥的空气中，直接用双眼观察天空。在大麦云中他看到了一颗明亮的恒星，而在前一天它并不存在。谢尔顿赶紧向山脊上的另一个天文台跑去，去分享这个消息。

当他和控制室里的天文学家巴里·马度尔（Barry Madore）、威廉·孔克尔（William Kunkel）讨论这一令人费解的发现时，智利的望远镜操作员奥斯卡·杜阿尔德（Oscar Duhalde）插话说，几个小时前他走出去休息时，也看到了同一颗恒星。他们4人判断，这颗“新的”恒星是一颗超新星（supernova）。超新星是正在经历剧烈爆炸的恒星，在短暂的时间内，它的亮度可以达到10亿个太阳的亮度。在目前已知的天体类型中，没有哪种天体能发生如此剧烈的亮度变化——从非常暗淡（无法被底片记录下来）变为非常明亮（用肉眼就能看到）。这意味着，谢尔顿和杜阿尔德发现了银河系卫星星系中的一颗超新星。几小时后，新西兰的一个独立工作的天文爱好者，也观察到了同样的情形。

到当天上午十点左右，通过同事间的电话和国际天文学联合会（International Astronomical Union）的电报，世界各地的科学家都得知了这一发现。他们的喜悦来自于，“超新星1987A”（后来命名）是自望远镜发明近400年来，第一个在银河系附近被观测到的超新星。

天文学家竞相使用南半球一系列强大的光学、红外和射电望远镜设备，以及航天器上的X射线和紫外线仪器，来观测这一发生在大麦云中的重大事件。这是只有少数科学家才经历过的一段激情岁月。正如一个热情洋溢的天体物理学家所宣称的，“这就像圣诞节”。

对超新星1987A的这些研究，为理论学家提出的理论模型提供了广泛支持。这个理论模型借助于超级计算机的复杂模拟，描述了大质量恒星在演化末期如何自我毁灭：其核心会坍缩成一个致密的中子球（被称为中子星）或者一个黑洞，而外部壳层则会向外抛射，形成发光的残骸云。

当然，欢庆活动并不仅限于天文学家。对于粒子物理学家来说，对超新星的其他观测，为研究幽灵亚原子粒子（即中微子）的特性，提供了重要的线索。对1987年超新星的多方研究，使得我们对银河系中类似的恒星坍缩有了相应的预期——这一事件也许会在任何时候发生，它会解答在科学家心头萦绕已久的、有关恒星死亡和中微子特性的问题。中微子“猎人们”可能会率先探测到这一事件。

光子先驱

超新星1987A让当时工作于美国普林斯顿高等研究院、已故的约翰·巴考（John Bahcall）兴奋得失眠。他如此激动是有原因的：巴考知道，这一宇宙灾变最早、同时也是最为重要的信号，其实在天文学家用传统望远镜发现该超新星之前的数小时，就已经到达了地球。他很清楚，根据恒星演化理论模型，在一个大质量恒星的生命结束之时，其核心的坍缩应该会导致大量中微子爆发，它们可以几乎不受干扰地逃离恒星内部深处的爆炸现场。在这之后，恒星的外层被炸飞，这时我们才能观察到绚丽的“烟花”。在得知超新星1987A的几分钟后，巴考和两个同事便开始工作，来计算地球上的各种中微子探测器应该已经记录到了多少中微子。计算结果是几十个中微子。他们在一周内向《自然》杂志提交了一篇有关该结论的论文，因此在科学家统计实际测量结果之前，他们的预测结果已经完成了。

与此同时，实验物理学家也开始搜索世界各地的几个地下探测器记录到的数据。最有可能探测到这些超新星中微子的是日本神冈实验（Kamiokande experiment）探测器。这个探测器是一个四层楼高、装满纯净水的圆柱形容器，周围装有1 000个光电倍增管，用来记录中微子与水分子相互作用时产生的闪光。如果没有探测到来自超新星1987A的中微子，可能就意味着我们对超新星爆发机制的认识，存在严重缺陷。

不出所料，在探测器的数据中，中微子信号很清晰地显示出来，而且毫无疑问是来自于超新星，这令全世界的科学家彻底松了一口气。早在智利和新西兰的天文学家第一次看到超新星爆发前的近3个小时，神冈探测器的光电倍增管就观测到了一次持续了几秒钟、共有11个闪光的中微子爆发。在地球的另一侧，与神冈完全相同的时间点上，距美国克利夫兰不远的伊利湖下的浅盐矿中，一台中微子探测器也记录到了8个闪光。不久后，科学家获悉，俄罗斯高加索山脉巴克桑中微子天文台的油基探测器也观测到了5个中微子。

大麦云中发生爆炸的恒星的中心产生了巨量中微子，扫过地球的就有数百京（1京=1016）个，被探测到的这24个中微子，只是其中极小一部分。由于这3个中微子“天文台”都位于北半球，而大麦云位于南天，这些中微子必定是从地球的一侧，穿过地球内部飞到了另一侧，从底部进入了探测器。

总共检测到24个中微子，听上去似乎没什么可吹嘘的。但对于中微子事件的意义，通过一个事实就可以显示出来——多年来，围绕这一课题已经发表了数百篇科研论文。超新星1987A使我们第一次观测到了来自太阳以外的天体所发出的中微子。正如美国俄亥俄州立大学理论物理学家约翰·比科姆 （John Beacom）所说，“中微子让我们可以目击大质量恒星在临终时的内部情形，由此我们可以进行天文学家以前永远无法实现的天体物理学研究。”

探测到超新星中微子这一事件尽管非常罕见，但却可以验证关于大质量恒星如何发生爆炸的一些重要推测。天体物理学家很高兴地发现，他们测得的中微子的数量和能量，与他们的理论计算结果相符。由于理论计算和观测结果的完美吻合，科学家们得出结论，超新星并不是通过某些神秘机制来释放能量——例如，中微子发射被称为轴子（axion）的假想粒子，或者是泄漏到神秘的额外维度。中微子相隔几秒钟而非同时到达地球，也证实它们需要花时间从极其致密的坍缩核心寻找向外的出路，这与之前的预言相符。

此外，测量结果还为研究中微子自身特性提供了线索。由于中微子到达地球的时间，比天文学家拍摄到超新星早了近3个小时，它们必定是以极其接近光速的速度运动的。小质量粒子的运动速度会快于质量较大的粒子，于是科学家推测，中微子的质量无疑非常小。事实上，根据超新星1987A中微子的到达时间，科学家能够证明，尽管它们的数量惊人，但中微子不大可能是弥漫在宇宙中的神秘“暗物质”。更重要的是，2011年，当媒体热炒“中微子超光速事件”时，1987年超新星的观测结果成为了一个强有力的反驳证据。如果中微子真如该实验最初报告的速度运动，那么来自超新星1987A的中微子应该比可见光早上几年抵达地球，而不是只提前了几个小时。

整装待发

超新星1987A激起了那些想了解垂死恒星内部运作机制的天体物理学家的探索欲望。“想象一下，如果能探测到来自近距超新星的1 000个中微子，我们可以知道些什么，”美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）的亚历克斯·弗里德兰（Alex Friedland）若有所思地说。这样的一个惊人事件，不仅能让我们准确描述爆炸过程中的每一个片段，还能明确地告诉我们，这颗命运多舛的恒星最终会变为什么样子。粒子物理学家对来自超新星的中微子也非常感兴趣，因为它们为研究这些难以捉摸的粒子在极端条件下的行为提供了一个难得的机会，而这些极端条件在实验室中是无法复制的。

为了实现天体物理学家和粒子物理学家的这些目标，科学家需要一颗在银河系中发生核心坍缩的超新星。令人惊讶的是，自1604年德国数学家约翰内斯·开普勒（Johannes Kepler）等人在蛇夫座（Ophiuchus）中发现了一颗“新星”以来，我们在银河系中再也没看到过超新星。在其鼎盛时期，这颗超新星即便在白天也能看到。在此之前仅32年，也就是1572年，丹麦传奇天文学家第谷·布拉赫 （Tycho Brahe）等欧洲天文学家则目睹了另一颗超新星。目前的证据表明，这两颗超新星都是由白矮星（white dwarf，恒星演化的残骸）爆炸所致，它要么吞并了来自伴星的物质，要么与另一颗白矮星发生了碰撞，并非是一颗大质量恒星死亡时所引发的核心坍缩型爆炸。

根据对其他星系的观测结果，今天的天文学家估计，在银河系中每个世纪至少会有几颗大质量恒星发生爆炸。即使星际物质能够阻碍发生在银河系遥远地域中的超新星光线，也无法阻挡中微子的通行，因此探测到中微子爆发即可表明，在银河系中的某个地方，有一颗大质量恒星发生了死亡。我们所建造的灵敏度极高的中微子探测器已经持续工作了约四分之一个世纪，如果我们的估计是正确的话，从今往后的任何一天都有可能发现银河系超新星。“这种机会也许一辈子只能有一次，因此我们最好已经为此做好了准备，”德国马普物理研究所的格奥尔格·拉费尔特（Georg Raffelt）说。

美国杜克大学的凯特·舍尔伯格（Kate Scholberg）对此表示赞同。她和同事建立了超新星早期预警系统（SuperNova Early Warning System，SNEWS），这是一个能够快速警示银河系内核心坍缩型超新星的协调网络。在该计划中，世界各地的灵敏中微子探测器——例如，位于南极洲的冰立方中微子天文台（IceCube）、位于意大利的大体积探测器（Large Volume Detector）和硼太阳中微子实验（Borexino），以及位于日本的更大、更灵敏的神冈升级版超级神冈探测器（Super-Kamiokande），都会向位于美国长岛布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）的中央计算机报告可能的爆发。“如果多个中微子探测器同时报警，那就极有可能是有一颗近距超新星发生了爆发，”舍尔伯格说。

如果SNEWS的计算机发现，两个探测器信号之间的时间差在10秒以内，它就会向全世界的天文台发出警报。舍尔伯格和同事希望，地面和太空中的望远镜将能尽快记录下恒星爆炸发出的电磁辐射，包括可见光、无线电波和X射线，越早越好，并对其早期阶段进行观测。“我们的想法是，全球有越多的人参与观测，确定超新星早期电磁辐射的可能性就越高，”她说。

“观测来自银河系超新星的中微子，可以告知我们许多东西，”舍尔伯格说，“这是一个丰饶得令人难以置信的信息宝藏。”这些探测器会记录下，到达地球的中微子的数量和能量是如何随着时间变化的，这将让我们了解超新星爆炸是如何进行的。此外，科学家还可以确定，恒星的核心最终坍缩成了黑洞还是成了中子星。对于黑洞而言，没有东西可以从那里逃脱，就算是中微子也不行。因此，如果最终形成的是黑洞，那么向外射出的超新星中微子流就会突然中断。而如果最终产物是一颗中子星，那么在恒星残骸的冷却过程中，它会在约10秒的时间内，继续向外发射中微子，因此中微子流的强度应该会慢慢减弱，而不是戛然而止。

银河系超新星还可以为中微子本身的特性提供线索。例如，物理学家一直试图测定中微子的“质量等级” （mass hierarchy）。其实，他们想知道的是，中微子到底具有两个较重的质量特征态加一个较轻的质量特征态，还是一个较重的态加两个较轻的态（mass state），他们相信测量超新星中微子可以得到明确答案。更重要的是，在超新星的核心处，中微子的密度是如此之高，中微子之间会发生相互作用。当它们意识到有另一个中微子存在时，就会改变自己的行为。“我们可能会看到一些奇异的中微子集体振荡现象，”舍尔伯格说，“如果它们的行为存在任何异常，都有可能指向超越标准模型的物理学新框架。”标准模型是目前描述基本作用力和基本粒子的行之有效的框架。

幸运的是，一些现有探测器的灵敏度已经非常高，足以探测到那些出现在银河系任何地方的超新星产生的中微子。例如，超级神冈探测器就可以记录下几千个、距离我们超过25 000光年的银心附近超新星所发出的中微子。这台探测器甚至能确定中微子的入射方向，可以精确到几度的范围内——对应的天区大小只相当于几倍的满月天区。“冰立方”则最擅长追踪中微子流随时间的变化情况，它可以记录下数百万个中微子事件。“我们将能以几毫秒的时间间隔，来观测超新星爆发后10秒内的全部过程，”美国威斯康星大学麦迪逊分校的 “冰立方”首席科学家弗朗西斯·霍尔岑 （Francis Halzen）说，“我们将可以确定中子星形成的确切时刻。”

然而，目前的探测器只对一种中微子敏感，即电子反中微子（electron antineutrino，中微子和它们对应的反物质都具有三种味：电子、μ子和τ子）。“只观测一种味的中微子，就像用单色滤光片来拍摄照片一样，”舍尔伯格解释。她希望能看到“全彩”景象。作为发展多味观测能力的第一步，舍尔伯格和她的加拿大同事正在安大略萨德伯里中微子天文台（SNOLAB）建造一个专用设备——氦和铅天文台（Helium and Lead Observatory，HALO）。该设备使用80吨的铅作为探测器材料，可以观测电子中微子。现有探测器对电子反中微子产生探测结果，HALO可以对结果进行补充。按照中微子探测器的标准，HALO其实相当小，所以它只能探测距离我们不足半个银河系尺度的超新星爆炸。

等待游戏

虽然前景令人兴奋，但要实现它们，却不得不等待银河系附近出现一颗核心坍缩型超新星。这一漫长的等待过程是令人沮丧的。正如美国俄亥俄州立大学的比科姆所说，“我们都屏住了呼吸。”问题是，探测器目前的灵敏度还不足以探测到较多的、来自其他星系超新星发出的中微子。例如，对于发生在距离我们250万光年远的仙女星系——距离我们最近、与银河系大小相当的星系——的超新星爆炸，超级神冈探测器只记录下了一个微不足道的中微子事件。

尽管所有的证据都表明，年老的巨星，例如参宿四（Betelgeuse）和船底座η星（Eta Carinae），将会在不久的将来发生超新星爆发，但我们仍不知道那一刻究竟会何时到来。就宇宙而言，“不久的将来”很可能是从今往后几十万年。

即便如此，未来几十年里，在银河系中的某个地方，大质量恒星发生爆发的概率依然很大。正如美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的弗里德兰所告诉我的，“银河系内出现下一颗超新星，以及美国建造下一代大型粒子对撞机，这两个事件究竟哪个会先发生，如果非要我下注，我会把钱压在超新星上。”即使它距离地球太远，我们无法透过银河系的尘埃看到这颗超新星发出的电磁辐射，它也会把世界各地的中微子探测器照得透亮。这将会是一个轰动的事件，也是一道分水岭。中微子 “猎人们”将会以前所未有的方式来庆祝它。