185年12月7日这一天，东汉中平二年乙丑，一位天文学家观测到天空出现了一颗极其明亮的星体，他并不知道这意味着什么。
这颗突然出现于苍穹之中的星星在夜空中照耀了八个月后，又忽然消逝了。《后汉书·天文志》中留下了这段记载：“中平二年（185年）十月癸亥，客星出南门中，大如半筵，五色喜怒，稍小，至后年六月消。”
这是人类史上对于超新星爆发的第一次观察。
1987年，一颗位于大麦哲伦星云的恒星发生了剧烈爆炸。从望远镜发明至今大约四个世纪以来，这颗超新星1987A是最明亮，最接近地球的超新星，几乎每个天文台都将望远镜镜头对准了它。而最令人兴奋的是，埋在地下深处的一个观测站， 从这次超新星爆发现象中捕获到了一种神秘的亚原子粒子，它被命名为中微子。
在粒子物理标准模型中，构成物质世界的最基本粒子是费米子和玻色子，其中费米子包括有6种夸克和6种轻子，这些轻子中则包含了3种中微子。
中微子的质量极其微小，以至于几乎不受引力影响，并且它们不带电荷，不受电磁相互作用的影响，只参与弱相互作用。中微子的寿命几乎是无穷长，当遥远高能天体（比如超新星）所产生的中微子从宇宙一段抵达地球的漫长岁月中，其路径并不会因为遍布宇宙的磁场而发生变化。
正是因为这些特性，令中微子成为了天文学信息的顶级传播者。事实上，中微子也正是超新星现象内部的驱动力，它们解释了超新星爆发内部的工作原理。
然而令人遗憾的是，几十年来，天体物理学家在研究中微子动力模型时，总是会遇到一些堪称致命的缺陷：作为一种超微粒子，中微子如何做到在坍缩恒星的极端条件下，还将能量成功转移到恒星的普通物质上，一直存在着疑问。
每当理论家试图在计算机模拟中对这些复杂的粒子运动和相互作用进行建模时，模拟出的超新星冲击波总是一次次地发生停滞并自行回落。因此，超新星爆发后内部深处的细节一直都是缺乏论证的。
爆发的超新星就好比是一口宇宙中的巨锅，里面煮着一锅能量和物质的湍流之汤。在这口锅里，我们日常世界中经常被忽略的粒子和作用力变得至关重要。令研究更加艰难的是，剧烈爆炸的星体内部在很大程度上是无法直接观测的——它们被致密的热气云所笼罩。
普林斯顿大学天体物理学家亚当·伯罗斯（Adam Burrows）说，了解超新星的细节“一直是天体物理学中尚未解决的核心问题” ，他研究超新星已有35年以上。
然而近年来，天文理论家终于洞悉了一些关于超新星爆发的复杂机制。伯罗斯在2021年1月的《自然》杂志上撰文写道，在最新算法建模下大量超新星爆发的计算不断重复进行，这种天体的演化方式终于逐渐达成了共识，中微子在其中所起到的作用终于被科学家们所理解。
在恒星漫长的生命中，重力的向内引力与恒星核心内部核反应产生的辐射向外推力，一直处于微妙的平衡之中。然而当恒星的燃料耗尽时，重力终于慢慢占据了上风。内部核心自身坍塌的过程中（以每小时15万公里的速度骤降），恒星温度会暴涨到1000亿摄氏度，并将内核融合成为一个坚硬无比的中子球。
恒星的外层持续不断地向内压缩，但是当它们撞击到内部那个无法再被压缩的中子核时，就会被反弹回来并产生冲击波。这些冲击波在形成爆炸之前，必须具备足够的能量以实现向外逃逸以对抗恒星引力的拉力。此外，这些冲击波还必须对抗那些持续不断向内坍缩的恒星外层质量。
长久以来，科学家们只能用一些模糊不清的概念性术语来描述这种冲击波所具有的能量。对超新星现象研究开始之后的数十年里，计算机的算力仅仅能够支撑内核坍缩的简化模型。恒星被视为完美的球体，冲击波从内核向周围每个方向以完全相同的方式释放。
但是，当模拟的冲击波在这些简易模型中向外冲击时，它会不断减速然后逐渐减弱，换言之，算法下的超新星爆发从未真正形成。
而随着最近几年超级计算机的迅猛发展，理论家终于获得了足够的计算能力来模拟具有实现爆发所需复杂性的大质量恒星。更精确的模型被我们打造了出来，它们具备了此前无法想象的细节——比如中微子与物质之间的微观相互作用，流体的无序运动，以及从核物理到恒星演化等许多物理领域的最新进展。而且，科学家们现在可以每年运行大量的算法模拟，从而允许他们自由地调整模型并尝试不同的起始条件。
研究的转折点出现在2015年，密歇根州立大学的计算天体物理学家肖恩·库什（Sean Couch）和他的合作者们运行了一个三维计算机模型，用于分析一颗大质量恒星坍塌的最后时刻。尽管模拟仅描绘出了恒星生命末期短暂的160秒，但却发现了一种此前完全没有被重视的力量，正是这种力量将超新星内部失速的冲击波，转化成为了剧烈到不可思议的爆炸。
用库什的话来说，这种力量就好比是埋藏在野兽躯体里的粒子扭曲，它们混乱无序，并且会不断地旋转，就像大锅炉里沸腾的开水。恒星内部有着巨大的湍流，这些长期被我们忽视的暗涌，在超新星爆发之前以每秒数千公里的急速流动着。
湍流在冲击波出现后产生了额外的压力，将其向外推离恒星中心，并终于战胜重力的向内拉扯作用力。在冲击波身后推动其外涌的湍流物质会在整个过程中吸收巨量的中微子。这些中微子所产生的能量会点燃物质，并将冲击波驱动为最终的爆炸。
用理论物理学的语言来讲，这种内核产生的大尺度湍流能够造成局部的元素丰度变化，从而在坍缩期间导致不均衡分布的核反应，经反弹后产生爆炸。
不过还有一种新解释则认为，恒星中心的中子态内核对气体的吸积作用会形成吸积盘，并产生高度方向性的喷流，从而将物质以很高的速度喷射出去，同时产生横向的激波彻底摧毁星体。这些喷流可能是导致超新星爆发的重要因素（长伽玛射线暴也很可能产生于此）。
不论如何，多年以来研究人员一直未能意识到湍流的重要性，直到最近的算法揭示了其在三维模拟中的重要影响。人类对超新星的理解从东汉故纸堆中的一维，提升到了图像化的二维，最终变成了算法中熠熠生辉的三维模型，这个过程耗费了上千年。
这些模拟还表明，湍流会导致不对称爆炸，这种爆炸发生后会令整个恒星看起来有如一枚沙漏。随着爆炸朝一个方向向外推动，物质会不断沿另一个方向坍缩到内核上，这种力量进一步为恒星的爆炸提供了动力。
这些新的模拟使研究人员更好地了解超新星如何塑造了我们今天所看到的宇宙。超级计算机会计算出爆炸的能量范围大小，并且可以获得有关中子星质量的数据。众所周知，宇宙中诸如氧、铁等重元素都是藉由超新星爆发所产生的，因而理论家可以借助算法模拟来准确预测这些重元素在宇宙中所存在的比例。
尽管超算的计算能力呈指数级增长，但长久以来天文学领域对于超新星的模拟，远比在天空中对其所进行的直接观测要少。
天文学家们对于超新星的搜索大体上可以分为两类：一类是聚焦于相对距离较近的爆发迹象，另一类则是寻找距离人类极为遥远的超新星。
宇宙自身的膨胀，让我们可以通过测量其多普勒频移来估算在远方已知发射频谱的距离（红移）；越遥远的天体有越大的退移速度，因此比附近的天体有较高的红移。所以根据这个特征将搜寻划分为高红移和低红移。
“二十年前，每年能够发现大约100颗超新星，”哈佛大学的天文学家埃多·博格（Edo Berger）如是说 ，“而现在我们每年可以发现一两万颗之多……”
大量新型的天文望远镜提供了前所未有的观测能力，这些天文望远镜可以快速重复地扫描夜空，探索星空的奥秘。相比之下，天文理论研究者在一年中只能进行大约30次的计算机模拟。而每一次模拟可能需要长达几个月的时间，却仅能生成短暂到只有几分钟的恒星核心坍缩进程。漫长的前戏令科学家们焦急却又充满兴奋。
好在最新算法模拟的优势，使得天体物理学家为捕捉银河系的下一次爆炸感到无比期待。哥本哈根大学的理论天体物理学家艾琳·坦博拉（Irene Tamborra）认为：“我们需要改进理论模型，以了解可以检测到的特征 。我们绝不能错过这次机会，因为这将是一次极其罕见的事件。”
大多数超新星都距离地球太远，因此观测站无法检测到它们的中微子。银河系附近的超新星（如刚刚提到的超新星1987A）平均每半个世纪才出现一次。一旦近距离的超新星爆发真的发生了，如今天文学家将能够通过观察它的引力波直接窥探爆炸的中心。不同的研究团队会观察出恒星爆炸过程的各个部分，而这些观测数据会提供不同的引力波和中微子特征。
尽管理论家们已在驱动超新星的最重要因素上达成广泛共识，但挑战依然存在。超新星爆发的结果取决于一颗恒星在坍塌之前的核心结构。混沌塌陷会将微小差异放大为多种结果，因此理论学者所需要的是准确地模拟出恒星在彻底塌陷之前的演化，难度可想而知。
而其他的学术难题也有很多尚未解决。研究发现超新星爆发过程中，很有可能受到磁场和中微子的混合机制共同影响，那么这其中强磁场在旋转恒星核心中具体所起到的作用究竟是什么呢？
此外，中微子从一种类型（术语就是味）转变为另一种类型以及它具体如何影响爆发的方式，目前学术界也并不清楚。国际上主要有两个研究小组给出不同的中微子能谱形式，两者分别称为利弗莫尔模型和加尔兴模型。不同味超新星中微子的温度和能量有所不同，反应了超新星核心处的温度变化情况，但具体的细节都需要进一步研究。
虽然国外科学家的研究令人钦佩，但事实上中国对于超新星爆发中微子的研究也从不落后。由中科院高能物理研究所在广东江门设立的中微子地下实验室，预期将在2022年正式落成。
这座实验室拥有超高纯净度和国际最佳能量精度的液体闪烁体中微子探测器，可以通过测量来自临近广东阳江和台山核电站的中微子，来测定中微子质量顺序、精确测量中微子振荡，同时开展关于超新星中微子、核子衰变、暗物质间接探测等前沿方向的研究。
上图中，那一汪蓝色的液态闪烁体便是探测中微子的介质，当超新星爆发产生的中微子穿过液态闪烁体时，中微子会与蕴藏其中的质子发生剧烈碰撞，迸发出极其微弱的闪烁光。这些闪烁光又会被探测器外围的光电倍增管探测到，从而捕捉到中微子的信号。我们的科学家物们就可以依靠捕捉到的大量中微子的振荡信号，以确定中微子的质量顺序。
而江门项目的厉害之处就在于，它的很多设备都是世界顶级的，包括世界最大的有机玻璃容器（35.4米）；探测效率世界最高的光电倍增管（国产微通道板型光电倍增管的探测效率＞30%）；世界最透明的液体闪烁体（衰减长度＞20米）等等。
超新星就像浩瀚宇宙留给我们的一个个耀眼谜题，等候着人类去不断了解它们，并最终了解这种神秘的太空现象。
写在最后
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作者简介：眠眠，前国家电网公司工程师，曾在海外就职数据库工程师，网络通信工程师等，对前沿科技，互联网有很深的理解。2018年在清华大学出版社出版科普作品《人类学+：科学的B面》，2019中信出版历史经济类作品《破产的文明》。
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