Κάθε δευτερόλεπτο, κάπου στο παρατηρήσιμο σύμπαν, ένα τεράστιο αστέρι καταρρέει πυροδοτεί μια έκρηξη σουπερνόβα. Σύμφωνα με τους φυσικούς, το παρατηρητήριο Super-Kamiokande στην Ιαπωνία θα μπορούσε τώρα να ανιχνεύσει μια σταθερή ροή νετρίνων από αυτές τις καταστροφές συλλέγω, που θα μπορούσε να ισοδυναμεί με μερικές ανακαλύψεις ετησίως.

Αυτό μικροσκοπικά υποατομικά σωματίδια είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση του τι συμβαίνει σε ένα σουπερνόβα: καθώς εκτοξεύονται από τον πυρήνα του αστεριού που καταρρέει και πετούν στο διάστημα, μπορούν να παρέχουν πληροφορίες για πιθανώς νέα φυσική που μπορεί να συμβούν υπό ακραίες συνθήκες.

Στο τελευταίο Νετρίνο 2024 Συνέδριο στο Μιλάνο της Ιταλίας, ο Masayuki Harada, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Τόκιο, αποκάλυψε ότι τα πρώτα στοιχεία για νετρίνα σουπερνόβα φαίνεται να προέρχονται από το χάος των σωματιδίων που συλλέγει ο ανιχνευτής Super Kamiokande κάθε μέρα από άλλες πηγές, όπως οι κοσμικές ακτίνες που χτυπούν την ατμόσφαιρα και η πυρηνική σύντηξη στον Ήλιο. Το αποτέλεσμα υποδηλώνει ότι «έχουμε αρχίσει να παρατηρούμε ένα σήμα», λέει ο Masayuki Nakahata, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Τόκιο και εκπρόσωπος του πειράματος, που συνήθως αναφέρεται ως Super-K. Ωστόσο, ο Nakahata προειδοποιεί ότι τα υποστηρικτικά δεδομένα - που συλλέχθηκαν για 956 ημέρες παρατήρησης - είναι ακόμα πολύ αδύναμα.

Πτητικά σωματίδια

Τα νετρίνα είναι εξαιρετικά άπιαστα. Τα περισσότερα περνούν μέσα από τον πλανήτη όπως το φως μέσα από το γυαλί, και το Super-K συλλαμβάνει μόνο ένα μικρό κλάσμα από αυτά που τον διασχίζουν. Ωστόσο, ο ανιχνευτής έχει καλές πιθανότητες να ανιχνεύσει νετρίνα από σουπερνόβα, αφού το σύμπαν θα πρέπει να πλημμυρίσει από αυτά. Η κατάρρευση ενός άστρου απελευθερώνει τεράστιες ποσότητες από αυτά τα σωματίδια (που υπολογίζονται σε περίπου 10^58), τα οποία οι αστροφυσικοί ονομάζουν διάχυτο υπόβαθρο νετρίνων σουπερνόβα.

Ωστόσο, μέχρι στιγμής κανείς δεν έχει καταφέρει να αποδείξει αυτό το υπόβαθρο. Τα νετρίνα δημιουργήθηκαν μόνο μία φορά ξεκάθαρα ίχνη πίσω σε ένα αστέρι που καταρρέει – Ο Nakahata ήταν ένας από τους ερευνητές που ανακάλυψαν τα σωματίδια το 1987 χρησιμοποιώντας τον ανιχνευτή Kamioka II, έναν προκάτοχο του Super-K. Η ανακάλυψη ήταν δυνατή επειδή το σουπερνόβα εμφανίστηκε στο Μεγάλο Νέφος του Μαγγελάνου, έναν νάνο γαλαξία αρκετά κοντά ώστε τα νετρίνα του εκρηκτικού αστέρα έφτασαν στη Γη σε μεγάλους αριθμούς.

Το 2018-2020, ο ανιχνευτής Super-K, μια δεξαμενή που περιείχε 50.000 τόνους καθαρού νερού κάτω από ένα χιλιόμετρο βράχου κοντά στην Hida στο κεντρικό νησί Honshu, υποβλήθηκε σε μια απλή αλλά σημαντική αναβάθμιση με στόχο την αύξηση της ικανότητάς του να διακρίνει τα νετρίνα σουπερνόβα από άλλα σωματίδια.

Όταν ένα νετρίνο - πιο συγκεκριμένα, το αντισωματίδιο του, ένα αντινετρίνο - συγκρούεται με ένα πρωτόνιο στο νερό, αυτό το πρωτόνιο μπορεί να μετατραπεί σε ένα ζεύγος άλλων σωματιδίων, ένα νετρόνιο και ένα αντιηλεκτρόνιο. Το αντιηλεκτρόνιο παράγει μια λάμψη φωτός καθώς κινείται με μεγάλη ταχύτητα στο νερό και αυτό το φως συλλαμβάνεται από τους αισθητήρες που περιβάλλουν τα τοιχώματα της δεξαμενής. Αυτή η λάμψη φωτός από μόνη της θα μπορούσε να μην διακρίνεται από το φως που παράγεται από τα νετρίνα ή τα αντινετρίνα από μια ποικιλία άλλων πηγών.

Κατά τη διάρκεια της αναβάθμισης, οι επιστήμονες πρόσθεσαν ένα αλάτι με βάση το γαδολίνιο στο νερό του Super-K. Αυτό επιτρέπει στο νετρόνιο που παράγεται όταν ένα αντινετρίνο προσκρούει στο νερό να συλληφθεί από τον πυρήνα του γαδολινίου, απελευθερώνοντας μια δεύτερη, χαρακτηριστική ακολουθία λάμψης ενέργειας. Οι φυσικοί Super-K που αναζητούν νετρίνα σουπερνόβα αναζητούν μια γρήγορη σειρά δύο αναλαμπές, η μία από το αντιηλεκτρόνιο και η δεύτερη από το παγιδευμένο νετρόνιο.

Λύστε κοσμικά μυστήρια

Ο Nakahata λέει ότι θα περάσουν αρκετά χρόνια μέχρι να εμφανιστούν με σαφήνεια τα αληθινά σήματα σουπερνόβα, επειδή τα σήματα διπλής λάμψης μπορούν επίσης να προέρχονται από άλλες πηγές νετρίνων, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που προκαλούνται από τις κοσμικές ακτίνες που χτυπούν την ατμόσφαιρα. Αλλά μέχρι να κλείσει το Super-K μέχρι το 2029, προσθέτει, θα έπρεπε να έχει συλλέξει αρκετά δεδομένα για να κάνει έναν ισχυρό ισχυρισμό.

ΕΝΑ ακόμα μεγαλύτερο πείραμα που ονομάζεται Hyper-Kamiokande, που αναμένεται να ολοκληρωθεί γύρω στο 2027, θα μπορούσε να βελτιώσει μαζικά τα αποτελέσματα του Super-K. Αρχικά, το Hyper-K θα γεμίσει με καθαρό νερό, αλλά «όλα τα στοιχεία του ανιχνευτή έχουν σχεδιαστεί για να είναι συμβατά με το γαδολίνιο», το οποίο θα μπορούσε να προστεθεί αργότερα, λέει η Francesca Di Lodovico, φυσικός στο King's College του Λονδίνου και συν-εκπρόσωπος του έργου.

Το να δείξουμε ότι τα νετρίνα από μακρινές σουπερνόβα που εμφανίστηκαν πριν από δισεκατομμύρια χρόνια εξακολουθούν να υπάρχουν θα επιβεβαίωνε ότι τα νετρίνα είναι σταθερά σωματίδια και δεν διασπώνται σε κάτι άλλο, λέει ο Nakahata. Αυτό είναι κάτι που οι φυσικοί υποπτεύονται εδώ και πολύ καιρό, αλλά δεν έχουν καταφέρει ακόμη να το αποδείξουν.

Η μέτρηση του πλήρους φάσματος των ενεργειών νετρίνων σουπερνόβα θα μπορούσε επίσης να αποκαλύψει πόσες σουπερνόβα έχουν εμφανιστεί σε διαφορετικές περιόδους της κοσμικής ιστορίας, λέει ο Harada. Επιπλέον, θα μπορούσε να αποκαλύψει πόσα αστέρια που καταρρέουν οδήγησαν σε μια μαύρη τρύπα - η οποία θα σταματούσε την εκπομπή νετρίνων - σε αντίθεση με το να αφήσει πίσω ένα αστέρι νετρονίων.

Τα δεδομένα του Super-K εξακολουθούν να είναι πολύ αμυδρά για να διεκδικήσουν ανίχνευση, αλλά η πιθανότητα ανίχνευσης των διάχυτων νετρίνων είναι «εξαιρετικά συναρπαστική», λέει ο Ignacio Taboada, φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Τζόρτζια στην Ατλάντα και εκπρόσωπος του Παρατηρητηρίου Νετρίνων IceCube στο Νότιο Πόλο. «Τα νετρίνα θα παρείχαν μια ανεξάρτητη μέτρηση της ιστορίας του σχηματισμού άστρων στο σύμπαν».