Každou sekundu se někde v pozorovatelném vesmíru zhroutí masivní hvězda spustí výbuch supernovy. Podle fyziků by observatoř Super-Kamiokande v Japonsku nyní mohla detekovat stálý proud neutrin z těchto katastrof. sbírat, což by mohlo představovat několik objevů ročně.

Tento drobné subatomární částice jsou zásadní pro pochopení toho, co se děje v supernově: když vystřelují z kolabujícího jádra hvězdy a létají vesmírem, mohou poskytnout informace o potenciálně nové fyzice, která by mohla nastat za extrémních podmínek.

Na posledním Neutrino 2024 na konferenci v Miláně v Itálii Masayuki Harada, fyzik z Tokijské univerzity, odhalil, že první důkazy o neutrinech supernov se zdá pocházet z chaosu částic, které detektor Super Kamiokande každý den shromažďuje z jiných zdrojů, jako je kosmické záření dopadající na atmosféru a jaderná fúze na Slunci. Výsledek naznačuje, že „začali jsme pozorovat signál,“ říká Masayuki Nakahata, fyzik z Tokijské univerzity a mluvčí experimentu, běžně označovaného jako Super-K. Nakahata však varuje, že podpůrná data – shromážděná za 956 dní pozorování – jsou stále velmi slabá.

Těkavé částice

Neutrina jsou extrémně nepolapitelná. Většina projde planetou jako světlo přes sklo a Super-K zachytí jen nepatrný zlomek těch, které ji projdou. Přesto má detektor dobrou šanci detekovat neutrina ze supernov, protože vesmír by jimi měl být zaplaven. Kolaps hvězdy uvolňuje obrovské množství těchto částic (odhaduje se asi 10^58), které astrofyzici nazývají difuzní neutrinové pozadí supernovy.

Toto pozadí se však zatím nikomu nepodařilo prokázat. Neutrina byla vytvořena pouze jednou jasně vysledováno zpět k hroutící se hvězdě – Nakahata byl jedním z výzkumníků, kteří objevili částice v roce 1987 pomocí detektoru Kamioka II, předchůdce Super-K. Objev byl možný, protože supernova se objevila ve Velkém Magellanově mračnu, trpasličí galaxii dostatečně blízko, že neutrina explodující hvězdy dosáhla Země ve velkém množství.

V letech 2018-2020 prošel detektor Super-K, nádrž obsahující 50 000 tun vyčištěné vody pod kilometrem skály poblíž Hida na centrálním ostrově Honšú, jednoduchým, ale důležitým upgradem, jehož cílem bylo zvýšit jeho schopnost rozlišit neutrina supernov od jiných částic.

Když se neutrino - přesněji jeho antičástice, antineutrino - srazí s protonem ve vodě, tento proton se může přeměnit na pár dalších částic, neutron a antielektron. Antielektron vytváří záblesk světla při pohybu vysokou rychlostí ve vodě a toto světlo zachycují senzory obklopující stěny nádrže. Tento záblesk světla sám o sobě by mohl být k nerozeznání od světla produkovaného neutriny nebo antineutriny z řady jiných zdrojů.

Během upgradu vědci přidali do vody Super-K sůl na bázi gadolinia. To umožňuje, aby neutron vzniklý při dopadu antineutrina na vodu byl zachycen jádrem gadolinia, čímž se uvolní druhá charakteristická záblesková sekvence energie. Fyzici Super-K hledající neutrina supernov hledají rychlou sérii dvou záblesků, jeden z antielektronu a druhý ze zachyceného neutronu.

Vyřešte vesmírné záhady

Nakahata říká, že bude trvat několik let, než se jasně objeví skutečné signály supernov, protože signály dvojitého záblesku mohou také pocházet z jiných zdrojů neutrin, včetně těch, které jsou způsobeny kosmickým zářením dopadajícím na atmosféru. Ale v době, kdy je plánováno uzavření Super-K do roku 2029, dodává, měl by shromáždit dostatek dat, aby mohl učinit solidní tvrzení.

A ještě větší experiment s názvem Hyper-Kamiokande, jehož dokončení se očekává kolem roku 2027, by mohlo výrazně zlepšit výsledky Super-K. Zpočátku bude Hyper-K naplněn čistou vodou, ale „všechny součásti detektoru jsou navrženy tak, aby byly kompatibilní s gadoliniem“, které by mohlo být přidáno později, říká Francesca Di Lodovico, fyzik z King's College London a spolumluvčí projektu.

Ukázat, že neutrina ze vzdálených supernov, ke kterým došlo před miliardami let, jsou stále přítomná, by potvrdilo, že neutrina jsou stabilní částice a nerozpadají se na něco jiného, ​​říká Nakahata. To je něco, co fyzici tuší už dlouho, ale zatím se jim to nepodařilo prokázat.

Měření celého spektra energií neutrin supernov by také mohlo odhalit, kolik supernov se vyskytlo v různých obdobích kosmické historie, říká Harada. Navíc by mohla odhalit, kolik zhroucených hvězd vedlo k černé díře – která by zastavila emisi neutrin – na rozdíl od ponechání neutronové hvězdy za sebou.

Data Super-K jsou stále příliš slabá na to, aby se dala detekovat, ale možnost detekce difúzních neutrin je „extrémně vzrušující,“ říká Ignacio Taboada, fyzik z Georgia Institute of Technology v Atlantě a mluvčí IceCube Neutrino Observatory na jižním pólu. "Neutrina by poskytla nezávislé měření historie vzniku hvězd ve vesmíru."