上一次发生在1987年2月，当时他刚刚开始从事科学研究，一个光点突然出现在南方的天空中。这是现代最接近的超新星；这次被称为SN 1987A的活动引起了全世界媒体的关注，并在天体物理学方面取得了巨大的进步。
当时，中田是一名研究生，致力于当时世界上最重要的中微子捕集器之一，即位于日本Hida附近的神冈地下天文台的神冈II探测器。他和同学平田敬子发现了中微子从超新星中涌出的证据——这是第一次有人看到这些基本粒子来自太阳系以外的任何地方。
现在，东京大学的物理学家，他已经准备好迎接超新星的起飞了。他是世界上最大的中微子实验“超级神冈”的负责人，该实验于去年年底完成了超新星预警系统的升级。这些改进将使天文台的计算机能够几乎实时地识别探测超新星中微子的时间，并向世界各地的常规望远镜发出自动警报。
天文学家将等待。德卢斯明尼苏达大学的天体物理学家Alec Habig说：“这会给每个人带来危险。”来自超级神冈和其他中微子观测站的早期预警将触发机器人望远镜——在许多情况下，在没有人为干预的情况下做出响应——向这颗垂死恒星的方向旋转，以捕捉中微子风暴之后超新星发出的第一道光。
但是，当光到达时，它可能是太好的事情，Patrice Bouchet说，他是巴黎大学萨克莱分校的天体物理学家，他在智利的拉西拉天文台做了对SnA.77A的重要观测。最明亮的事件将比满月更明亮，白天可见，这将压倒专业天文学家使用的望远镜中超灵敏但精密的传感器。
布切特当时使用的一些仪器已经不存在了。“如果η卡利奈或参宿四爆炸，”Bouchet说，他指的是两颗著名的恒星，“我们还没有准备好观察它，就像我们对'87A那样。”研究人员将争先恐后地调整他们的仪器，但大部分观测结果可能落在业余天文学家身上，他们拥有更小的望远镜，在许多情况下非常擅长使用它们。
然而，科学的回报将是巨大的。超新星很少被近距离观察到，但它们对于理解通过核聚变在恒星内部形成的化学元素如何在星系间扩散至关重要。恒星爆炸本身合成了其他情况下不可能存在的元素。中田和其他人希望捕捉到的中微子将提供一个独特的窗口，了解爆炸恒星内部发生的极端物理现象，并可能导致关于自然界基本力和粒子的重要发现。
1987年2月24日清晨，智利拉斯坎帕纳斯加拿大天文台的职员望远镜操作员伊恩·谢尔顿发现了一个意想不到的光点。它出现在他刚刚拍摄的大麦哲伦星云的一些常规曝光上，这是一个围绕银河系运行的小星系，在南部天空中可见。
谢尔顿立刻意识到这可能是一个重大事件。他走到外面用自己的眼睛看，果然注意到了一颗以前从未出现过的明亮的星星。这是自1604年德国天文学家约翰内斯·开普勒（Johannes Kepler）记录以来第一个肉眼可见的此类恒星物体。
超新星是宇宙中最具能量的大灾难之一，持续发光数周或数月，在某些罕见的情况下，其发光量超过整个星系。超新星爆炸包括几种类型，但最常见的发生在一颗非常大的恒星的寿命结束时——一颗质量在太阳质量的8到140倍之间的恒星。
这颗恒星耗尽了为其提供动力的核聚变燃料，留下了一个处于等离子体状态的铁和镍惰性核心。恒星的外层开始向内坠落，核心开始坍塌。在几毫秒的时间里，核心中的大部分物质被压缩到质子和电子结合形成中子的程度。由于中子占据的空间比等离子体小得多，所以核心的密度突然上升了几个数量级。中子聚集成一个密度更大的球——密度在物理定律允许的范围内，在核心内形成哈比格所说的原中子星。
每个中子的形成都会释放出一个中微子，因此核心的坍塌会释放出一个短暂的中微子初始爆发。但灾难才刚刚开始。哈比格说：“恒星的其他部分正在向原中子星倾泻。”。在强烈的引力场中下落数千公里后，这种物质撞击到中子核的坚硬表面，反弹回来的冲击波向外传播。冲击波如此猛烈，以至于恒星的其余部分解体，只留下中子星作为残骸，其重量约为太阳的两倍。
在崩塌过程中，下落物质释放的能量将基本粒子粉碎在一起，就像在高能对撞机中发生的那样，不断将能量转化为各种新粒子。北卡罗来纳州达勒姆杜克大学的天体物理学家凯特·斯科尔伯格说：“天气非常热，密度极高，一切都在发生。”。
大多数这些粒子无处可去，不断地相互碰撞——只有一个例外。当一次碰撞产生一个中微子时，这个粒子很有可能逃逸到外层空间而不撞到其他任何东西。因此，许多中微子是在10秒或更长的时间内产生的。研究人员估计SN 1987A喷射了1058个这样的粒子。
在这些时间尺度上，中微子是超新星耗散能量的主要方式。虽然冲击波可能需要很多小时才能穿过恒星的外层并变得可见，但中微子会立即以光速出现。核坍缩超新星99%以上的能量不是以光的形式逸出，而是以中微子的形式逸出。
最终，恒星的大部分原始质量分散到星际空间。在接下来的亿万年里，它将触发新恒星和行星的形成；大约50亿年前，我们的太阳系可能就是这样形成的。
根据最近的估计，平均每个世纪有一两颗银河系恒星发生核心坍塌。然而，纵观历史，只有五颗超新星被记录为肉眼可见，其中两颗被认为是核坍缩类型2。造成这种差异的原因多种多样。如果足够的质量集中在坍塌的核心，它就会形成一个黑洞，而不会产生太多的光照。也许在大多数情况下，爆炸确实发生了，但仍然被银河系平面上的厚厚星际尘埃所掩盖，而银河系是大质量恒星的居住地。
幸运的是，让中微子逃离恒星核心的物理原理也能让它们畅通无阻地穿过尘土飞扬的银河系中心。这意味着，地球上的中微子探测器无论如何都会捕捉到大量中微子，从而记录下其他任何方法都无法探测到的坍塌恒星。
这将是一场多么大的阵雨啊。1987年，神冈二号是世界上最大的中微子探测器之一。它的3000吨水收集了11个中微子；在俄亥俄州和俄罗斯进行的实验也捕捉到了一些。如果今天发生类似的事件，1996年开业的超级神冈将发现至少300个粒子——如果超新星出现在我们的星系中，而不是大麦哲伦云中，则会发现更多。
从2018年开始，被称为“超级K”的天文台进行了一次升级，极大地提高了其研究超新星的能力。特别是，包括日本和美国物理学家在内的Super-K合作团队将稀土金属钆添加到探测器的水中。它的存在将使探测器能够清楚地区分两种类型的超新星中微子。一种是在探测器内部产生沿随机方向传播的闪光。但另一种类型的闪光直接指向中微子的运动方向。
能够实时区分两者意味着Super-K的软件将快速计算出天文学家应该在不到3度的角度内将望远镜对准天空的位置。“利用这一信息，Super-K是世界上确定超新星方向的最佳探测器，”中田说。
超新星预警系统被称为SNWatch，其程序是通知高级合作成员可能发现的情况。同时，探测器的地下洞穴大厅和控制室发出警报。莎拉·苏斯曼（Sara Sussman）现为新泽西州普林斯顿大学（Princeton University）的物理学家，2017年，她在本科学习期间曾在Super-K工作，并亲身经历了这一警报。它在她第一次担任Super-K控制室值班员时就发生了，苏斯曼不知道这是一次演习。“我这辈子都不会忘记那一刻，”她说。
直到最近，针对超新星的Super-K程序规定，高级团队将召开紧急会议，以决定信号是否真实，以及是否发送消息。从去年12月开始，该合作消除了任何人为干预的必要性。如果发生中微子簇射，SNWatch将在5分钟内向天文学家发送一个自动警报，包括事件在天空中的坐标，Nakahata说。他补充说，未来软件的改进应该会将时间缩短到1分钟。
这与SN 1987A发现后信息的传播方式大相径庭。谢尔顿工作的智利拉斯坎帕纳斯山顶甚至没有电话线，其无线电话也很少工作。为了提醒其他研究人员注意刚刚出现的科学宝藏，天文台工作人员必须开车到最近的城镇，两个小时的路程，并发送一份电报。
中微子预警系统并不新鲜：一个已经存在了近20年。超新星早期预警系统（SNEWS）是一个由Super-K和其他几个中微子观测站组成的网络。它包括嵌在一立方公里南极冰中的光传感器阵列IceCube，以及淹没在地中海中的类似阵列KM3NeT。美国和中国目前正在建设的大型中微子设施预计将在未来几年加入，日本正在建造超神冈，它将比Super-K大五倍。“如果一颗超新星在银河系中心爆炸，我们预计会产生54000到90000个中微子，”弗朗西斯卡·迪洛多维奇说，超级神冈探测器的联合发言人。
SNEWS的主要思想是将信号组合起来，以提高检测的可信度，即使单个信号最好看起来微不足道。每个探测器都运行软件，将任何异常活动通知中央SNEWS服务器。只有在两个不同地理区域的中微子探测器在彼此相隔10秒内发现活动峰值时，SNEWS才会向天文学家发出警报。哈比格说：“如果两个人看到了什么东西，但不在同一个实验室，那么在日本和意大利就很难发生随机事件。”。
Scholberg和Habig在20世纪90年代开始研究SNEWS，几年前SN 1987A让研究人员意识到快速发出中微子警报的重要性。神冈第二号当时没有实时报告系统。中田和平田被指控在事后寻找超新星中微子；他们打印出了探测器几天的原始数据——数百页连续进纸，带有穿孔边缘的纸张——并对其进行了目视检查，以找到肿块。
自2005年SNEWS上线以来，它一直没有机会发出任何警报。马萨诸塞州剑桥哈佛大学的天文学家罗伯特·基什纳说：“你必须佩服他们的坚韧和耐力。”。“他们知道自己是对的，他们知道这很重要——但他们没有得到多少回报。”
现在，SNEWS即将推出其第一个主要升级，名为SNEWS 2.0 3。一个目标是根据可能出现的超新星中微子的置信度较低的观测结果发出警报。天文台过去对发出警报持保守态度，希望避免任何错误警报的风险。但近年来，这种文化发生了变化，研究人员更愿意交换低自信警报，以防万一。
哈比格说：“态度已经转变了180度。”。这种变化的部分原因是引力波天文学的出现，它每周甚至每天产生信号，许多天文学家使用普通望远镜进行跟踪。这样，同一事件可以用不同的天文现象来研究，这一趋势被称为多信使天文学。
SNEWS 2.0的另一项创新是，当多个观测站记录一次中微子簇射时，它将比较粒子到达的确切时间，并使用这些时间对源进行三角测量。哈比格说，与Super-K单独提供的定位相比，定位的精度要低得多，但三角测量可能会更快。
谢尔顿发现SN 1987A时，布切特在正确的时间出现在正确的地方。他曾在拉希拉的欧洲南方天文台工作，在那里他使用了一种特殊设备，可以在白天对恒星进行红外测量。这意味着，即使天空中的日光淹没了恒星发出的可见光，布切特也可以继续测量超新星的亮度。但是布切特使用的望远镜已经退役，没有一个现代天文台有合适的设备来进行白天的红外测量。
Bouchet补充说，更糟糕的是，大多数大型天文台都已经停用了它们的小型可见光望远镜，将重点放在最大、最灵敏的仪器上，这些仪器可能对观测明亮事件毫无用处。但是英国华威大学的天文学家Danny Steeghs更乐观。他说，在多信使天文学的推动下，“小型天文学”出现了复兴。“现在我们有了新一代更为定制、更小的望远镜，”斯特格斯说。他说，当超新星发生时，“我们可能会错过最初的阶段，但我相信每个人都会有创造力。”Steeghs运行着引力波光学瞬态观测系统，该系统可以快速覆盖大部分天空，追踪可能与引力波有关的光。
拉斯坎布雷斯天文台的高级科学家安迪·豪厄尔说：“即使是在非常明亮的情况下，天文学家也很聪明，会找到办法的。”。Las Cumbres是一家总部位于加利福尼亚州圣巴巴拉附近的组织，该组织运营着一个机器人望远镜网络，共同提供全球天空覆盖。“我们可以24小时观测超新星，因为我们总是在黑暗中使用望远镜。”
为了观察特别明亮的物体，天文学家可能会使用一些技巧，比如短时间曝光，或者部分遮光望远镜的镜子，使其反射更少的光。但最关键的观测之一——测量超新星的亮度及其随时间的演化——将很难精确完成。天文学家通常通过校准来测量恒星的亮度，方法是将其与同一视场中另一个著名天体的亮度进行比较。但是，当研究对象非常明亮，以至于在同一张照片中看不到其他恒星时，校准是很困难的。
Bouchet说，如果专业天文学家遇到困难，一大群认真的爱好者可能会来解救他们。总部位于马萨诸塞州坎布里奇的美国变星观察家协会（AAVSO）将帮助协调业余天文学家的工作，他们中的许多人都渴望参与其中。“他们会在上面——其中一些会在几分钟内出现，”伊丽莎白瓦根说。她是一名天文学家，在AAVSO工作了40年，帮助协调观察员活动。
“我们无处不在，”芬兰Jyväskylä的IT专业人士Arto Oksanen说，他是业余天文学界的名人。“在任何时候，都有人可以在晴朗的天空下观察。”Oksanen是一个观察家俱乐部的主席，该俱乐部在赫尔辛基以北约300公里处建造并运行自己的远程操作天文台，带有一个40厘米的反射望远镜和一个自动圆顶。
为了测量非常明亮的超新星，甚至更小的望远镜也可以。奥克萨宁说，如果物体非常明亮——并且假设它在芬兰天空中是可见的——他可能会做的第一件事就是用尼康数码单反相机拍照。对于超新星来说，时间至关重要，即使是这种粗略的方法也能记录爆炸亮度变化的宝贵信息。
但是俄勒冈州本德市的业余天文学家汤姆·卡尔德伍德说，很少有认真的天文爱好者制定了这样的应急计划，为可能的超新星做准备。“对于业余爱好者来说，坐下来思考他们会做什么绝对是值得的，”他说。
1987年的超新星一夜之间改变了许多人的生活。谢尔顿决定攻读天文学博士学位。接下来的一年中，布切特大部分时间都在智利的山顶上，从那以后，他一直在研究超新星及其遗迹，基什纳也是如此，他一直参与寻找SN 1987A的中子星遗迹。他很快就能利用NASA最近发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜确定这一点，该望远镜可能能够探测到残骸的红外辐射，使其穿过周围的尘埃。中川当时的老板，已故的Masatoshi Koshiba，在2002年分享了诺贝尔物理学奖，因为他使用神冈II的工作，在很大程度上是为了探测11个超新星中微子。
瓦根说，许多年轻人可以追溯到他们对天文学或一般科学感兴趣的某一天，“一些壮观的事件激发了他们的想象力，改变了他们的人生道路”。她说，下一颗超新星也将改变许多生命。“它将以一种新的方式将它们连接到天空。”
马萨诸塞州波士顿大学（Boston University）的粒子物理学家埃德·卡恩斯（Ed Kearns）说：“这会很疯狂。”。“我不知道到底会发生什么，因为这涉及到太多的人性。”他补充说，自1987年以来，没有检测到超新星中微子，但这种情况随时可能发生。“每一年都是崭新的一年，每一天都是一次超新星发现的崭新一天。”
Murphey，C.T.，Hogan，J.W.，Fields，B.D.&；纳拉扬，G.蒙。不R.阿斯顿。Soc。507, 927–943 (2021).