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揭秘中微子:宇宙信使穿透地球来报告什么? 特多图  

2015-07-02 14:19:36|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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 揭秘中微子:宇宙信使穿透地球来报告什么? 特多图

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三个探测器几乎同时接收到中微子,中微子爆发历时少于13

秒。中微子具有极强的穿透性,那些中微子是从地球的另一

面来的,它们穿透地球,来到了北半球,来到了中微子探测

器中。这表明,宇宙深处确实发生了某种特别的事情……

在日本岐阜县,深达1000米的地下有一个圆柱形大容器,容

器里面装载的是纯水,它就是神冈中微子探测器,可以探测

到来自宇宙深处的中微子。探测中微子是一个很乏味的工作

,长期以来,没有什么进展。但是,在1987年2月23日,这

个探测器接收到了来自宇宙深处的中微子,纯水中的那些光

电管发出了11次闪光,它告诉科学家,有中微子闯入了探测

器。

于是,值班员开始把望远镜对准了太空,但是很遗憾,他们

没有找到什么特别的目标。与此同时,世界其他地方的探测

器也接收到了中微子信号,美国的探测器接收到了8个中微

子,俄罗斯的探测器接收到了5个中微子,值班员也把望远

镜对准了天空,可惜的是,它们也找不到目标。这三个探测

器几乎同时接收到中微子,中微子爆发历时少于13秒。这表

明,宇宙深处确实发生了某种特别的事情。

 

拍摄于1990年的超新星1987A

第二天,在南半球的智利,两个天文学家在观测大麦哲伦星

云,他们发现了一颗超新星,同一天,在南半球的新西兰,

阿尔伯特·琼斯也观测到了这颗超新星。消息传开之后,那

些中微子探测器的值班员们恍然大悟,他们要寻找的目标就

是这颗超新星,是它的爆发导致了探测器的中微子流。

超新星1987A

 

超新星1987A

他们之所以没找到目标,是因为他们都在北半球,看不到南

半球星空。他们忽视了中微子的一个重要特性。中微子具有

极强的穿透性,那些中微子是从地球的另一面来的,它们穿

透地球,来到了北半球,来到了中微子探测器中。导致中微

子流的超新星被称为1987A,在中微子流爆发之后的3个小时

,它的光就来到了地球,可惜那个时刻,南半球的天文学家

没有注意。

 

超新星1987A

中微子被称为微观世界的隐身人,任何物质也休想阻挡它们

前进的步伐。超新星爆炸之后,碎片弥漫了周围的空间,阻

挡了光的到来,但是,中微子却不在乎这些碎片,它们是宇

宙最可靠的信使,它们穿过碎片和尘埃,一往无前地飞奔,

向外界报告这个重大的变化。那些中微子探测器就是为了迎

接这个宇宙信使而准备的,让我们得知宇宙深处的变化。超

新星1987A的被发现过程表明,中微子确实是最忠实的信使

戴上了“珍珠项链”

超新星1987A爆发的时候,哈勃望远镜还不存在,当它被升

上天空之后,当然要做最重要的工作,科学家们想让这颗人

类最了不起的“眼睛”好好看看这颗超新星究竟长得啥模样

。拍摄于1994年的哈勃望远镜照片显示,超新星1987A像一

个圆环,这个圆环并不稀奇,它应该早就存在。据说,超新

星在爆发以前是一颗蓝色的超巨星,大约在20000年前,这

颗蓝色的超巨星表面发生了气体膨胀,这些膨胀的气体在它

的周围形成了一个气体环,它被这个气体环环绕着。这个圆

环并不明亮,我们一般看不到它。

 

1987A爆发前后对照

但是,当超新星爆发的时刻,爆发产生出来的猛烈激波向周

围扩散,移动在最前面的激波到达气体环时,它与那里的物

质发生了猛烈的撞击,出现了一个个热斑,这些热斑具有较

高的亮度,成为了亮点,随着更多的激波到达气体环的内侧

,更多的亮点产生了。它们的温度从几千摄氏度到几十万摄

氏度不等,气体环中的这些亮点一个个连接起来,就像一条

珍珠项链。

 

拍摄于2011年的1987A

这个项链也并不是不变的,在未来的几年里,随着更多激波

能量的到达,整个环里的物质都会发光,到那时,点点珍珠

就消失了,它们会联成一个完整的环。美国哈佛·史密森天

体物理中心的罗伯特·科什纳感叹说:“我们过去简单的认

为,超新星的爆炸呈圆形,超新星1987A的爆炸碎片残骸其

实呈椭圆形,并非球形;飞速喷溅的碎片正在撞入数千年前

形成的气体环中。”

 

拍摄于2003年的1987A已经出现20多粒珍珠

这个“珍珠项链”是用哈勃望远镜拍摄出来的最具有艺术魅

力的一幅照片,它是用地面望远镜无法看清楚的,从此之后

,哈勃望远镜养成了一个习惯,它几乎每年都要给1987A拍

摄一张照片,让科学家好好研究这颗超新星。

迷雾中的三环超新星

如果仅仅有这么一个珍珠环,科学家还可以勉强对它做出这

样的解释,但是,1987A却并不那么简单,它十分不同寻常

,就在这个“珍珠项链”的外侧,它还有两个环,这个超新

星被三个环包围着,天文学家试图对这三个环的形成原因做

出解释,但是,所有的理论都变得难以自圆其说,这使天文

学家极度困惑。

 

1987A的“珍珠项链”从1994年到2003年的变化

看着外侧那两个光环,科学家们只是隐隐约约地感觉到,这

可能与磁场有关,两名日本科学家对此作了一些尝试性的解

释,九州大学教授田中高史和湘南工科大学教授鹫见治一使

用计算机演示了这个过程,他们认为是引力和磁场共同导致

了这种结果。他们说:“中间的这个环是最早形成的,在这

个环的上面和下面,分别受到引力和磁场的影响,引力把环

剥离,在南极和北极分离出另外两个环。”

 

超新星1987A的背景

尽管他们的计算机成功地演示了这个过程,但依然有很多问

题无法解释。毕竟,1987A出现的历史太短了,我们科学的

历史也太短了。科什纳感叹说:“真实世界的复杂和有趣远

远超过了我们的想象,总是挑战我们的固有理论。”

400年一遇的客人

恒星是由于核聚变而发光的,当它年迈的时候,无法提供足

够的能量,就会导致引力坍缩,把外侧的物质抛撒出去,而

内部则收缩成一颗致密的中子星或白矮星,这个过程就是超

新星爆发。它会释放出巨大的能量,让这颗恒星一下子变得

非常的亮,超新星1987A爆发的能量相当于它自己一辈子释

放出能量的总和,一个拥有10亿颗恒星的星系,在它的面前

也会显得黯然失色。所以,超新星爆发就是一颗恒星的死亡

过程。

 

超新星1987A爆发

爆发的亮度通常会持续几个月或者一年多时间,天体物理学

家马丁说:“如果你看到一个亮点只持续几秒钟的时间,它

通常是流星”。所以,超新星爆发是很难见到的事情,但这

并不是说超新星很少,在广漠的宇宙中,每时每秒都会有超

新星爆发,只是它们距离我们太远,不能被发现,即使专业

天文学家,也只能在大型望远镜拍摄的多张照片上对比才能

发现超新星。

 

超新星1987A

超新星爆发会把大量的物质抛撒到宇宙中,我们地球上的重

元素就是它们给予的,在科幻作家的笔下,超新星爆发还会

激发生命的基因突变,产生变种。但是,我们地球人不需要

担心爆发的能量影响地球,无须顾虑自己的安全,天文学家

认为,30光年是一个安全的距离,在这个距离之内才有危险

,而1987A距离我们16万8000光年。

在古代中国,看到突然出现的一颗超新星,我们的祖先认为

它是天空中的客人,被称为客星,最著名的是于公元1054年

7月爆发的天关客星,它留下了蟹状星云,蟹状星云的中心

有一颗脉冲星,脉冲星证明过去曾经发生过超新星爆发。

 

天关客星爆发留下的蟹状星云

1604年,开普勒也发现了一颗超新星,这是一颗银河系的超

新星,距离我们较近,它在两年多的时间内一直可以被看到

,最亮的时候成为天空中最亮的星,它留下了残骸。在此后

的400年间,没有出现过肉眼可见的超新星。虽然银河系和

许多河外星系中都已经观测到了数百颗超新星。可是在历史

上,人们用肉眼直接观测到并记录下来的超新星却寥寥无几

。1987A是开普勒发现那颗超新星的400年之后,在天空中的

重新登场,它是400年来人们第一次遇到的客人。

等待神秘主角的登场

天关客星爆发的时候有没有形成三个环?开普勒超新星爆发

的时候有没有形成三个环?那时候没有望远镜,人们不知道

,如今,科学家有一个机会,可以仔细地观察这颗超新星。

1987A在爆发3个月之后的5月,亮度达到最大,相当于三等

星的亮度,用肉眼可以看到,然后它就渐渐暗淡下来,但是

它的环却越来越明亮。科学家已经观测了它28年,持续28年

的观测就是要等待神秘主角的出现。

 

超新星1987A在扩张中的遗骸位于影像中心附近

在1987A的中心应该有一颗星体的残骸,它才是真正的主角

,是它导致了三个环的存在。但是,在每年拍摄的照片中都

看不到它,有人怀疑,也许它是一颗脉冲星,遗憾的是,经

射电望远镜证实,那里没有脉冲信号。它还有可能是一颗中

子星,不发出脉冲辐射,这样,用射电望远镜就无法看到它

 

超新星1987A残骸

于是,科学家们用最先进的射电望远镜系统联合出手,去寻

找这个神秘的客人,利用智力的阿塔卡马毫米波阵列和澳大

利亚望远镜紧凑阵列的联合观测,能够辨别超新星冲击波结

构的不同部位发出的辐射。2014年底,科学家们发现了某些

从未见过的信号,其位置就在死亡恒星的核心部位,这似乎

预示着神秘的主角将要出现。但是,用光学望远镜拍摄的照

片依然看不到1987A的内部结构,那么,爆炸留下的残骸究

竟是什么?科学家对此还是一无所知。

只有外围的这个“珍珠项链”向我们炫耀着它的年轻,还有

它外围的两个环,炫耀着它的神秘。2015年,距离它爆发的

时间已经过去了28年,天文学家还在继续等待着硝烟的散去

,等待着那个神秘的主角登场

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