天文学与新中微子
超新星中微子
1987年2月，观测太阳系外天体中微子的可能性被戏剧性地证实了，当时一波高能中微子浪潮同时照亮了位于日本和美国的探测器。这些史无前例的测量结果与大麦哲伦云（在距离地球160000光年处环绕银河系运行的卫星星系）中出现的超新星SN1987A相吻合。
SN1987A的中微子证实了超新星核心坍缩的基本理论，这一理论说，超新星99%的能量由中微子带走。个别地看，这些中微子的能量与能量最高的太阳中微子接近，所以超级神冈与SNO正适合检测它们。现在，在我们银河系中如果发生一次类似的核心坍缩超新星将使数千中微子被检测到。
SN1987A爆发后，对一颗爆发恒星中心混沌区域所作的计算机模拟大量涌现，但直到现在它们都没有被观测所检验。加州大学圣迭戈分校的理论家George M. Fuller说：“我们仍旧不知道在超新星爆发过程中到底产生了多少中微子。如今的探测器有能力给我们一幅更好的图象。”
例如，理论预言大质量恒星核心坍缩初期会产生丰富的10至15MeV中微子。这些中微子成因是电子和质子被压到了一起，这一过程产生了大量中子（与带正电的质子一起组成原子核的电中性粒子）。
当核心达到密度的极大值后，星体马上会发生“反弹”，激波在落向核心的物质中向外传播，其为更多粒子，包括一波各种味道的中微子-反中微子对（反中微子是中微子的反物质对应粒子）的生成提供了能量，产生的中微子能量最高可达20MeV。亚利桑那大学的Adam Burrows说：“通过监测中微子信号的变化，你可以实时观测爆炸的发生。”
一个吸引人的的可能性是，在最初的电子-中微子爆发中，信号会突然中断。这样的信号将暗示新生的中子星坍缩成了黑洞。
另一吸引人之处是，当银河系中下一颗超新星爆发之时，中微子将带给天文学家一个飞跃。超新星爆发最初释放的中微子将在瞬间穿透这颗命定要爆炸的恒星，而由于它们的运动速度几乎与光速相当，这些粒子到达地球的时间将比激波穿出星体表面并造成可见的爆发早上几个小时。SNO、超级神冈和其他地方的研究人员以建立了全球网络，所以当探测到中微子信号后，天文学家——包括天文爱好者——会被通知，将可能有超新星爆发发生。
上图：中微子天文学起源于将近40年前对太阳中微子的研究（左，图片版权：Robert Gendler）。目前它只探测过一次太阳系外天体，那是在大麦哲伦云中的超新星1987A增亮为“恒星”时，人们探测到了少量飞驰的中微子（中）。科学家最终希望能接收到我们银河系中的黑洞双星和象半人马A这样的活动星系发出的中微子（右，图片提供：NOAO/AURA/NSF）。
高能前沿
能量最高的那部分中微子带给人们的是机遇与挑战。正的一方面，中微子携带的能量越高，它与其他粒子发生相互作用的几率就越大，因而就更容易被探测到。但不妙的是，能量最高的中微子会被大气中微子淹没。这样的事件发生的能量范围是1TeV（1万亿，也就是1012电子伏）以下。在此能量之上，由大气层产生的中微子数目大大下降，为我们打开了一扇通向高能宇宙的窗口。
这些中微子的准确来源是值得深思的问题。实际上至少一个来源可以被大家承认：特高能宇宙射线（UHECRs）在穿过太空的时候应该能产生能量为一百万万亿电子伏（1018eV）的中微子，在飞行途中与宇宙微波背景辐射的光子相撞。
由于宇宙射线和微波光子都确实存在，这样的相互作用必然会发生。而由于中微子以直线前进（这多亏是它们与星系磁场不发生相互作用），它们可以被准确地回溯到它们的源头，这也就使确认抛射UHECRs的天体成为可能。（相比之下，UHECRs会受磁场作用而偏转。）
总体说来，高能中微子被认为是质子加速时的副产品，并在高速状态下可以与物质和光发生作用。两个潜在的源头是由旋转的大质量恒星突然坍缩引发的伽玛射线暴，还有活动星系中央的特大质量黑洞。
距离更近的银河系微类星体（带有吸积盘和高速喷流的恒星质量黑洞）也是可能的中微子源。同样，可以利用它们复杂的磁场加速粒子的超新星遗迹也是可能的源头。
尽管与伽玛射线爆和活动星系相比，这些潜在的中微子源要弱得多，但它们相对近的距离却使得它们成了良好的候选对象。威斯康星大学的Francis Halzen说：“我们可能会看到来自附近旋臂中超新星遗迹的（中微子）——也许就在天鹅座的某处。”
Halzen是IceCube的首席研究员。IceCube是一个一立方千米大小的探测器，计划将在2004年底开工建造。IceCube令人惊愕的尺度是必要的，这是由于高能中微子尽管能量很高，但被认为是稀少的。IceCube可以达到如此庞大体积的原因是，它的探测介质已经就位了，这就是南极洲厚达数哩的透明冰层。研究人员将一串总长一千米的光传感器放到南极冰层下之后，在高能中微子撞击大范围半透明的冰层时就可以观察到由之产生的偶然闪烁了。
IceCube利用的技术已经被建造AMANDA（南极洲mu子和中微子探测阵列）的科学家测试过了。AMANDA是当前在南极点运行的先驱性实验。今天AMANDA已经检测到数百个来自整个北天的中微子。（为什么是北天呢？来自AMANDA上方的宇宙射线淹没了那里中微子的信号，所以科学家只留意来自下方的中微子。这些中微子来自北半球的天空，在到达位于南极点的AMANDA之前它们必须先穿过固态的地球。与之对比的是，来自北半球天空的宇宙射线将被屏蔽。）
AMANDA的探测结果不与任何短暂的GRB事件相合，它们在天空中聚集的方式也没有什么天文学意义。因而只能认为它们是能量很高的大气中微子。但在这个十年结束之时，AMANDA已扩展到全天范围的IceCube，最保守的估计也预言它将指出天文中微子源。
AMANDA与IceCube
上图：距离南极点仅一千米的AMANDA“钻井营地”在融化南极半透明的冰层，挖出洞窟。（图片提供：Steven Barwick/加州大学Irvine分校）
上图：一串总长数千米的光子探测器被安放到南极冰层以下，在这里它们在等待着中微子撞击电子或原子核。AMANDA已经捕获了数百颗中微子，但这些粒子中的大多数更象是在宇宙射线穿越大气层时产生的；它们在天文学意义上并没有明显地聚集。但AMANDA的增强设施IceCube可能拥有足够高的灵敏度来探测起源于深层空间的中微子。（图片提供：Steven Barwick/加州大学Irvine分校）
向下看，向上看
IceCube不是唯一的高能中微子检测装置。ANITA（南极洲短暂冲击阵列）是计划中一项气球探测器阵列，在南极洲上空35千米处漂浮，可以检测到下方冰层内中微子反应产生的无线电信号。而另一项技术不是利用冰，而是利用海水作为探测介质。这是在法国南部海岸运行的大型水下中微子探测器ANTARES的基本原理。其他仍在研究中的水下实验包括在地中海东部运行的NESTOR和俄罗斯的BAIKAL。
Scholberg说：“这真是黄金时代。关于中微子的许多基本问题都得到了澄清，而我们也有了新一代探测器来着手研究天文学这一硕果累累的分支。”
有了这么多期望，John Bahcall承认，他不再为中微子发愁。他说：“我现在有很多乐趣。唯一需要我发愁的事情是，给我发工资的人将因发现我所拥有的巨大乐趣而不再给我薪水！”
作为加拿大探索频道的天文学和太空科学记者，Ivan Semeniuk很高兴能因在本刊2003年3月号上探索特高能宇宙射线世界而获得报酬。
