Hvert sekund, et sted i det observerbare univers, kollapser en massiv stjerne udløser en supernovaeksplosion. Ifølge fysikere kunne Super-Kamiokande-observatoriet i Japan nu opdage en konstant strøm af neutrinoer fra disse katastrofer samle, hvilket kunne udgøre nogle få fund om året.

Denne små subatomære partikler er afgørende for at forstå, hvad der sker i en supernova: Når de skyder ud fra stjernens kollapsende kerne og flyver gennem rummet, kan de give information om potentielt ny fysik, der kan opstå under ekstreme forhold.

På den sidste Neutrino 2024 konference i Milano, Italien, afslørede Masayuki Harada, en fysiker ved University of Tokyo, at det første bevis på supernova neutrinoer ser ud til at komme fra det kaos af partikler, som Super Kamiokande-detektoren indsamler hver dag fra andre kilder, såsom kosmiske stråler, der rammer atmosfæren og kernefusion i Solen. Resultatet tyder på, at "vi er begyndt at observere et signal," siger Masayuki Nakahata, fysiker ved University of Tokyo og talsmand for eksperimentet, almindeligvis omtalt som Super-K. Nakahata advarer dog om, at de understøttende data - indsamlet over 956 dages observation - stadig er meget svage.

Flygtige partikler

Neutrinoer er ekstremt undvigende. De fleste passerer gennem planeten som lys gennem glas, og Super-K fanger kun en lille brøkdel af dem, der krydser den. Alligevel har detektoren en god chance for at opdage neutrinoer fra supernovaer, da universet burde blive oversvømmet med dem. Sammenbruddet af en stjerne frigiver enorme mængder af disse partikler (estimeret til omkring 10^58), som astrofysikere kalder den diffuse supernova neutrino baggrund.

Ingen har dog hidtil kunnet bevise denne baggrund. Neutrinoer blev kun skabt én gang tydeligt sporet tilbage til en kollapsende stjerne – Nakahata var en af ​​de forskere, der opdagede partiklerne i 1987 ved hjælp af Kamioka II-detektoren, en forløber for Super-K. Opdagelsen var mulig, fordi supernovaen fandt sted i den store magellanske sky, en dværggalakse tæt nok på, at den eksploderende stjernes neutrinoer nåede Jorden i stort antal.

I 2018-2020 gennemgik Super-K-detektoren, en tank indeholdende 50.000 tons renset vand under en kilometer klippe nær Hida på den centrale ø Honshu, en enkel, men vigtig opgradering med det formål at øge dens evne til at skelne supernova-neutrinoer fra andre partikler.

Når en neutrino - mere specifikt dens antipartikel, en antineutrino - kolliderer med en proton i vand, kan den proton omdannes til et par andre partikler, en neutron og en antielektron. Antielektronen producerer et lysglimt, når det bevæger sig med høj hastighed i vandet, og dette lys fanges af sensorerne, der omgiver tankens vægge. Dette lysglimt alene kunne ikke skelnes fra lys produceret af neutrinoer eller antineutrinoer fra en række andre kilder.

Under opgraderingen tilføjede videnskabsmænd et gadolinium-baseret salt til Super-Ks vand. Dette gør det muligt for neutronen, der produceres, når en antineutrino påvirker vandet, at blive fanget af gadolinium-kernen og frigive en anden, karakteristisk flashsekvens af energi. Super-K-fysikere, der søger efter supernova-neutrinoer, leder efter en hurtig serie på to blink, et fra antielektronen og det andet fra den fangede neutron.

Løs kosmiske mysterier

Nakahata siger, at der vil gå adskillige år, før ægte supernova-signaler kommer tydeligt frem, fordi dobbeltblitzsignaler også kan komme fra andre neutrinokilder, inklusive dem, der er forårsaget af kosmiske stråler, der rammer atmosfæren. Men på det tidspunkt, Super-K er planlagt til at lukke i 2029, tilføjer han, burde det have indsamlet nok data til at fremsætte en solid påstand.

EN endnu større eksperiment kaldet Hyper-Kamiokande, der forventes afsluttet omkring 2027, kunne forbedre Super-K's resultater massivt. I første omgang vil Hyper-K blive fyldt med rent vand, men "alle komponenter i detektoren er designet til at være kompatible med gadolinium," som kunne tilføjes senere, siger Francesca Di Lodovico, fysiker ved King's College London og medtalsmand for projektet.

At vise, at neutrinoer fra fjerne supernovaer, der opstod for milliarder af år siden, stadig er til stede, ville bekræfte, at neutrinoer er stabile partikler og ikke henfalder til noget andet, siger Nakahata. Det er noget, fysikere har haft mistanke om længe, ​​men endnu ikke har kunnet bevise.

Måling af hele spektret af supernova neutrino-energier kunne også afsløre, hvor mange supernovaer der er opstået i forskellige perioder af kosmisk historie, siger Harada. Derudover kunne det afsløre, hvor mange kollapsende stjerner, der resulterede i et sort hul - som ville stoppe emissionen af ​​neutrinoer - i modsætning til at efterlade en neutronstjerne.

Super-Ks data er stadig for svage til at hævde detektion, men muligheden for at opdage de diffuse neutrinoer er "ekstremt spændende", siger Ignacio Taboada, fysiker ved Georgia Institute of Technology i Atlanta og talsmand for IceCube Neutrino Observatory på Sydpolen. "Neutrinoer ville give en uafhængig måling af historien om stjernedannelse i universet."