Das älteste Licht des Universums
Wenn ein massiver Stern zu einem Neutronenstern oder schwarzen Loch kollabiert, gibt er einen Strom von Neutrinos ab, so intensiv, dass eine Explosion einer Supernova in einer fernen Galaxie nachweisbare Signale über Milliarden Lichtjahre hinweg senden kann. Die Detektion von Neutrinos aus einer Supernova im Jahr 1987 in der Großen Magellanschen Wolke — einer benachbarten Galaxie etwa 168.000 Lichtjahre entfernt — war ein Meilenstein der Astrophysik, der ein neues Beobachtungsfenster für eines der gewalttätigsten Ereignisse des Universums öffnete.
Aber einzelne nahe Supernovae sind selten. Die überwiegende Mehrheit der Sterntode hat in kosmologischen Entfernungen über die gesamte 13,8 Milliarden Jahre lange Geschichte des Universums stattgefunden. Ihre einzelnen Neutrinoausbrüche, über kosmische Zeit und Raum integriert, haben einen Hintergrund von Relikt-Neutrinos erzeugt, der das Universum durchdringt — schwach, aus allen Richtungen ankommend, und Informationen über die komplette Geschichte des Sterntods von den frühesten Epochen der Strukturbildung bis zur Gegenwart.
Diese diffuse Supernova-Hintergrundstrahlung wurde seit Jahrzehnten theoretisch vorhergesagt. Sie zu erfassen ist das nächste große Ziel der Neutrinoastrophysik, und eine neue Generation tief unterirdischer Detektoren befindet sich in Reichweite, dies zu erreichen.
Die technische Herausforderung
Die Detektion der diffusen Supernova-Hintergrundstrahlung ist außerordentlich schwierig. Die beteiligten Neutrinos haben niedrige Energien — im Bereich einiger zehn MeV — und kommen mit einer Rate von vielleicht einigen wenigen Ereignissen pro Jahr pro tausend metrischen Tonnen Detektormaterial an. Die Trennung dieser echten astrophysikalischen Signale von den Hintergründen, die durch Reaktorneutrinos, atmosphärische Neutrinos und radioaktive Zerfälle im Detektor entstehen, erfordert riesige Detektoren außergewöhnlicher Reinheit, tief unter der Erde bedient, um vor kosmischen Strahlungshintergründen geschützt zu sein.
Der Super-Kamiokande-Detektor in Japan war der globale Vorreiter in dieser Suche. Jüngste Verbesserungen, die Gadolinium in das Wasserfüllvolumen des Detektors einbauen — was die Fähigkeit zur Identifikation von Neutronen, die in inversen Beta-Decay-Ereignissen entstehen, dramatisch verbessert — haben den Detektor in Reichweite der Empfindlichkeit gebracht, die für die Beobachtung des Signals notwendig ist. Anfängliche Daten aus dem verbesserten Detektor haben verlockende Hinweise gezeigt, die mit dem erwarteten Signal konsistent sind, obwohl noch nicht bei statistischer Signifikanz für eine definitiven Nachweisanspruch.
Was die Detektion offenbaren würde
Ein zuversichtlicher Nachweis der diffusen Supernova-Hintergrundstrahlung würde mehrere wichtige physikalische Messungen ergeben. Die Gesamtintensität des Signals begrenzt die Gesamtkosmos-Supernova-Rate — wie viele Sterntode pro Volumeneinheit über die kosmische Geschichte aufgetreten sind. Das Energiespektrum der erfassten Neutrinos bietet Informationen über die durchschnittlichen Eigenschaften der Sternenkollapses, die sie erzeugten: durchschnittliche Vorläufermasse, durchschnittliche Kollaps-Dynamik und der Anteil der Kollapses, die schwarze Löcher versus Neutronensterne erzeugen.
Diese Messungen betreffen grundlegende Fragen der Stellarphysik, Kosmologie und der Herkunft von Elementen. Supernovae sind die primäre Quelle der meisten schweren Elemente im Universum — Eisen, Nickel und die gesamte Palette von Elementen, die in stellarer Nukleosynthese synthetisiert und in Supernovae-Explosionen verbreitet werden. Das Verständnis der Rate und Eigenschaften vergangener Supernovae beschränkt Modelle der galaktischen Chemieeentwicklung und letztendlich der kosmischen Geschichte der Bedingungen, die planetare Systeme wie unser eigenes möglich machten.
Die nächste Generation von Detektoren
Der Nachfolger von Super-Kamiokande, Hyper-Kamiokande — ein Detektor zwanzigmal größer, derzeit in demselben japanischen Bergwerk im Bau — wird eine Empfindlichkeit haben, die für einen hochzuverlässigen Nachweis innerhalb von Jahren nach Beginn des Betriebs ausreichend ist. Das Deep Underground Neutrino Experiment in den USA wird, unter Verwendung von flüssiger Argon-Technologie, wassergestützte Detektoren mit unterschiedlichen Empfindlichkeitsmerkmalen komplementieren, besonders zum niedrigenergetischen Teil des Spektrums.
Zusammen stellen diese Instrumente eine echte Kapazitätssprung in der Neutrinoastrophysik dar. Wenn die diffuse Supernova-Hintergrundstrahlung wie vorhergesagt erfasst wird, wird es die erste direkte Messung der integrierten Geschichte des Sterntods massiver Sterne über kosmische Zeit sein — ein kosmischer Zensus der Sternengewalt, der sich bis zu Epochen weit vor Earth erstreckt, nun sichtbar gemacht durch Instrumente, die unter Bergen begraben sind, um auf die stillsten Echos der gewalttätigsten Ereignisse des Universums zu lauschen.
Dieser Artikel basiert auf Berichterstattung von Space.com. Lesen Sie den Originalartikel.
