185年12月7日這一天，東漢中平二年乙丑，一位天文學家觀測到天空出現了一顆極其明亮的星體，他并不知道這意味著什么。

這顆突然出現于蒼穹之中的星星在夜空中照耀了八個月后，又忽然消逝了。《后漢書·天文志》中留下了這段記載：“中平二年（185年）十月癸亥，客星出南門中，大如半筵，五色喜怒，稍小，至后年六月消。”

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這是人類史上對于超新星爆發的第一次觀察。

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1987年，一顆位于大麥哲倫星云的恒星發生了劇烈爆炸。從望遠鏡發明至今大約四個世紀以來，這顆超新星1987A是最明亮，最接近地球的超新星，幾乎每個天文臺都將望遠鏡鏡頭對準了它。而最令人興奮的是，埋在地下深處的一個觀測站，?從這次超新星爆發現象中捕獲到了一種神秘的亞原子粒子，它被命名為中微子。

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在粒子物理標準模型中，構成物質世界的最基本粒子是費米子和玻色子，其中費米子包括有6種夸克和6種輕子，這些輕子中則包含了3種中微子。

中微子的質量極其微小，以至于幾乎不受引力影響，并且它們不帶電荷，不受電磁相互作用的影響，只參與弱相互作用。中微子的壽命幾乎是無窮長，當遙遠高能天體（比如超新星）所產生的中微子從宇宙一段抵達地球的漫長歲月中，其路徑并不會因為遍布宇宙的磁場而發生變化。

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正是因為這些特性，令中微子成為了天文學信息的頂級傳播者。事實上，中微子也正是超新星現象內部的驅動力，它們解釋了超新星爆發內部的工作原理。

然而令人遺憾的是，幾十年來，天體物理學家在研究中微子動力模型時，總是會遇到一些堪稱致命的缺陷：作為一種超微粒子，中微子如何做到在坍縮恒星的極端條件下，還將能量成功轉移到恒星的普通物質上，一直存在著疑問。

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每當理論家試圖在計算機模擬中對這些復雜的粒子運動和相互作用進行建模時，模擬出的超新星沖擊波總是一次次地發生停滯并自行回落。因此，超新星爆發后內部深處的細節一直都是缺乏論證的。

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爆發的超新星就好比是一口宇宙中的巨鍋，里面煮著一鍋能量和物質的湍流之湯。在這口鍋里，我們日常世界中經常被忽略的粒子和作用力變得至關重要。令研究更加艱難的是，劇烈爆炸的星體內部在很大程度上是無法直接觀測的——它們被致密的熱氣云所籠罩。

普林斯頓大學天體物理學家亞當·伯羅斯（Adam Burrows）說，了解超新星的細節“一直是天體物理學中尚未解決的核心問題”??，他研究超新星已有35年以上。

然而近年來，天文理論家終于洞悉了一些關于超新星爆發的復雜機制。伯羅斯在2021年1月的《自然》雜志上撰文寫道，在最新算法建模下大量超新星爆發的計算不斷重復進行，這種天體的演化方式終于逐漸達成了共識，中微子在其中所起到的作用終于被科學家們所理解。

在恒星漫長的生命中，重力的向內引力與恒星核心內部核反應產生的輻射向外推力，一直處于微妙的平衡之中。然而當恒星的燃料耗盡時，重力終于慢慢占據了上風。內部核心自身坍塌的過程中（以每小時15萬公里的速度驟降），恒星溫度會暴漲到1000億攝氏度，并將內核融合成為一個堅硬無比的中子球。

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恒星的外層持續不斷地向內壓縮，但是當它們撞擊到內部那個無法再被壓縮的中子核時，就會被反彈回來并產生沖擊波。這些沖擊波在形成爆炸之前，必須具備足夠的能量以實現向外逃逸以對抗恒星引力的拉力。此外，這些沖擊波還必須對抗那些持續不斷向內坍縮的恒星外層質量。

長久以來，科學家們只能用一些模糊不清的概念性術語來描述這種沖擊波所具有的能量。對超新星現象研究開始之后的數十年里，計算機的算力僅僅能夠支撐內核坍縮的簡化模型。恒星被視為完美的球體，沖擊波從內核向周圍每個方向以完全相同的方式釋放。

但是，當模擬的沖擊波在這些簡易模型中向外沖擊時，它會不斷減速然后逐漸減弱，換言之，算法下的超新星爆發從未真正形成。

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而隨著最近幾年超級計算機的迅猛發展，理論家終于獲得了足夠的計算能力來模擬具有實現爆發所需復雜性的大質量恒星。更精確的模型被我們打造了出來，它們具備了此前無法想象的細節——比如中微子與物質之間的微觀相互作用，流體的無序運動，以及從核物理到恒星演化等許多物理領域的最新進展。而且，科學家們現在可以每年運行大量的算法模擬，從而允許他們自由地調整模型并嘗試不同的起始條件。

研究的轉折點出現在2015年，密歇根州立大學的計算天體物理學家肖恩·庫什（Sean Couch）和他的合作者們運行了一個三維計算機模型，用于分析一顆大質量恒星坍塌的最后時刻。盡管模擬僅描繪出了恒星生命末期短暫的160秒，但卻發現了一種此前完全沒有被重視的力量，正是這種力量將超新星內部失速的沖擊波，轉化成為了劇烈到不可思議的爆炸。

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用庫什的話來說，這種力量就好比是埋藏在野獸軀體里的粒子扭曲，它們混亂無序，并且會不斷地旋轉，就像大鍋爐里沸騰的開水。恒星內部有著巨大的湍流，這些長期被我們忽視的暗涌，在超新星爆發之前以每秒數千公里的急速流動著。

湍流在沖擊波出現后產生了額外的壓力，將其向外推離恒星中心，并終于戰勝重力的向內拉扯作用力。在沖擊波身后推動其外涌的湍流物質會在整個過程中吸收巨量的中微子。這些中微子所產生的能量會點燃物質，并將沖擊波驅動為最終的爆炸。

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用理論物理學的語言來講，這種內核產生的大尺度湍流能夠造成局部的元素豐度變化，從而在坍縮期間導致不均衡分布的核反應，經反彈后產生爆炸。

不過還有一種新解釋則認為，恒星中心的中子態內核對氣體的吸積作用會形成吸積盤，并產生高度方向性的噴流，從而將物質以很高的速度噴射出去，同時產生橫向的激波徹底摧毀星體。這些噴流可能是導致超新星爆發的重要因素（長伽瑪射線暴也很可能產生于此）。

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不論如何，多年以來研究人員一直未能意識到湍流的重要性，直到最近的算法揭示了其在三維模擬中的重要影響。人類對超新星的理解從東漢故紙堆中的一維，提升到了圖像化的二維，最終變成了算法中熠熠生輝的三維模型，這個過程耗費了上千年。

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這些模擬還表明，湍流會導致不對稱爆炸，這種爆炸發生后會令整個恒星看起來有如一枚沙漏。隨著爆炸朝一個方向向外推動，物質會不斷沿另一個方向坍縮到內核上，這種力量進一步為恒星的爆炸提供了動力。

這些新的模擬使研究人員更好地了解超新星如何塑造了我們今天所看到的宇宙。超級計算機會計算出爆炸的能量范圍大小，并且可以獲得有關中子星質量的數據。眾所周知，宇宙中諸如氧、鐵等重元素都是藉由超新星爆發所產生的，因而理論家可以借助算法模擬來準確預測這些重元素在宇宙中所存在的比例。

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盡管超算的計算能力呈指數級增長，但長久以來天文學領域對于超新星的模擬，遠比在天空中對其所進行的直接觀測要少。

天文學家們對于超新星的搜索大體上可以分為兩類：一類是聚焦于相對距離較近的爆發跡象，另一類則是尋找距離人類極為遙遠的超新星。

宇宙自身的膨脹，讓我們可以通過測量其多普勒頻移來估算在遠方已知發射頻譜的距離（紅移）；越遙遠的天體有越大的退移速度，因此比附近的天體有較高的紅移。所以根據這個特征將搜尋劃分為高紅移和低紅移。

“二十年前，每年能夠發現大約100顆超新星，”哈佛大學的天文學家埃多·博格（Edo Berger）如是說?，“而現在我們每年可以發現一兩萬顆之多……”

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大量新型的天文望遠鏡提供了前所未有的觀測能力，這些天文望遠鏡可以快速重復地掃描夜空，探索星空的奧秘。相比之下，天文理論研究者在一年中只能進行大約30次的計算機模擬。而每一次模擬可能需要長達幾個月的時間，卻僅能生成短暫到只有幾分鐘的恒星核心坍縮進程。漫長的前戲令科學家們焦急卻又充滿興奮。

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好在最新算法模擬的優勢，使得天體物理學家為捕捉銀河系的下一次爆炸感到無比期待。哥本哈根大學的理論天體物理學家艾琳·坦博拉（Irene Tamborra）認為：“我們需要改進理論模型，以了解可以檢測到的特征?。我們絕不能錯過這次機會，因為這將是一次極其罕見的事件。”

大多數超新星都距離地球太遠，因此觀測站無法檢測到它們的中微子。銀河系附近的超新星（如剛剛提到的超新星1987A）平均每半個世紀才出現一次。一旦近距離的超新星爆發真的發生了，如今天文學家將能夠通過觀察它的引力波直接窺探爆炸的中心。不同的研究團隊會觀察出恒星爆炸過程的各個部分，而這些觀測數據會提供不同的引力波和中微子特征。

盡管理論家們已在驅動超新星的最重要因素上達成廣泛共識，但挑戰依然存在。超新星爆發的結果取決于一顆恒星在坍塌之前的核心結構。混沌塌陷會將微小差異放大為多種結果，因此理論學者所需要的是準確地模擬出恒星在徹底塌陷之前的演化，難度可想而知。

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而其他的學術難題也有很多尚未解決。研究發現超新星爆發過程中，很有可能受到磁場和中微子的混合機制共同影響，那么這其中強磁場在旋轉恒星核心中具體所起到的作用究竟是什么呢？

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此外，中微子從一種類型（術語就是味）轉變為另一種類型以及它具體如何影響爆發的方式，目前學術界也并不清楚。國際上主要有兩個研究小組給出不同的中微子能譜形式，兩者分別稱為利弗莫爾模型和加爾興模型。不同味超新星中微子的溫度和能量有所不同，反應了超新星核心處的溫度變化情況，但具體的細節都需要進一步研究。

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雖然國外科學家的研究令人欽佩，但事實上中國對于超新星爆發中微子的研究也從不落后。由中科院高能物理研究所在廣東江門設立的中微子地下實驗室，預期將在2022年正式落成。

這座實驗室擁有超高純凈度和國際最佳能量精度的液體閃爍體中微子探測器，可以通過測量來自臨近廣東陽江和臺山核電站的中微子，來測定中微子質量順序、精確測量中微子振蕩，同時開展關于超新星中微子、核子衰變、暗物質間接探測等前沿方向的研究。

上圖中，那一汪藍色的液態閃爍體便是探測中微子的介質，當超新星爆發產生的中微子穿過液態閃爍體時，中微子會與蘊藏其中的質子發生劇烈碰撞，迸發出極其微弱的閃爍光。這些閃爍光又會被探測器外圍的光電倍增管探測到，從而捕捉到中微子的信號。我們的科學家物們就可以依靠捕捉到的大量中微子的振蕩信號，以確定中微子的質量順序。

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而江門項目的厲害之處就在于，它的很多設備都是世界頂級的，包括世界最大的有機玻璃容器（35.4米）；探測效率世界最高的光電倍增管（國產微通道板型光電倍增管的探測效率＞30%）；世界最透明的液體閃爍體（衰減長度＞20米）等等。

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超新星就像浩瀚宇宙留給我們的一個個耀眼謎題，等候著人類去不斷了解它們，并最終了解這種神秘的太空現象。

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寫在最后

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作者簡介：眠眠，前國家電網公司工程師，曾在海外就職數據庫工程師，網絡通信工程師等，對前沿科技，互聯網有很深的理解。2018年在清華大學出版社出版科普作品《人類學+：科學的B面》，2019中信出版歷史經濟類作品《破產的文明》。

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