Unterirdischer Detektor könnte Licht von Sternen einfangen, die älter als die Erde sind

Das älteste Licht im Universum

Wenn ein massiver Stern zu einem Neutronenstern oder schwarzem Loch kollabiert, gibt er einen Strom von Neutrinos frei, der so intensiv ist, dass eine Sternenexplosion in einer fernen Galaxie erkennbare Signale über Milliarden von Lichtjahren Raum hinweg senden kann. Die 1987 durchgeführte Detektion von Neutrinos aus einer Supernova in der Großen Magellanschen Wolke — einer benachbarten Galaxie in etwa 168.000 Lichtjahren Entfernung — war ein bahnbrechendes Moment in der Astrophysik und öffnete ein neues Beobachtungsfenster zu einem der gewalttätigsten Ereignisse des Universums.

Doch einzelne nahe gelegene Supernovae sind selten. Die große Mehrheit der Sternentode hat sich in kosmologischen Entfernungen über die gesamte 13,8 Milliarden Jahre andauernde Geschichte des Universums ereignet. Ihre einzelnen Neutrinostrahlen, über kosmische Zeit und Raum integriert, haben einen Hintergrund aus Relikt-Neutrinos erzeugt, der das Universum durchdringt — schwach, aus allen Richtungen kommend und Informationen über die vollständige Geschichte des Sternentods vom frühesten Zeitalter der Strukturbildung bis zur Gegenwart tragend.

Diese diffuse Supernova-Hintergrundstrahlung wurde theoretisch seit Jahrzehnten vorhergesagt. Sie zu erkennen ist das nächste große Ziel der Neutrinophysik, und eine neue Generation tief unterirdischer Detektoren ist kurz davor, dies zu erreichen.

Die Technische Herausforderung

Die Detektion des diffusen Supernova-Hintergrunds ist außerordentlich schwierig. Die beteiligten Neutrinos haben niedrige Energie — im Bereich von einigen Dutzend MeV — und treffen mit einer Rate von vielleicht einigen Ereignissen pro Jahr pro tausend Tonnen Detektormaterial ein. Diese genuinen astrophysikalischen Signale von den Hintergründen zu trennen, die durch Reaktorneutrinos, atmosphärische Neutrinos und radioaktive Zerfälle im Detektor entstehen, erfordert enorme Detektoren außergewöhnlicher Reinheit, die tief unter der Erde betrieben werden, um sich vor kosmischen Strahlungshintergründen zu schützen.

Der Super-Kamiokande-Detektor in Japan ist der weltweite Anführer in dieser Suche. Jüngste Verbesserungen, die Gadolinium in das Wasservolumen des Detektors einbeziehen — was die Fähigkeit, Neutronen zu identifizieren, die bei inversen Beta-Zerfallsereignissen entstehen, dramatisch verbessert — haben den Detektor an den Rand einer ausreichenden Empfindlichkeit gebracht, um das Signal zu beobachten. Anfangsdaten des aktualisierten Detektors haben verlockende Hinweise gezeigt, die mit dem erwarteten Signal konsistent sind, obwohl noch nicht mit ausreichender statistischer Signifikanz für eine definitive Detektionsbescheinigung.

Was die Detektion Enthüllen Würde

Eine zuverlässige Detektion des diffusen Supernova-Hintergrunds würde mehrere wichtige physikalische Messungen liefern. Die Gesamtintensität des Signals beschränkt die gesamte kosmologische Supernova-Rate — wie viele Sternentode pro Volumeneinheit über die kosmische Geschichte hinweg aufgetreten sind. Das Energiespektrum der erfassten Neutrinos liefert Informationen über die durchschnittlichen Eigenschaften der Sternenzusammenbrüche, die sie produzierten: durchschnittliche Vorgängermasse, durchschnittliche Kollaps-Dynamik und der Anteil von Zusammenbrüchen, die schwarze Löcher gegenüber Neutronensternen erzeugen.

Diese Messungen berühren grundlegende Fragen in der Stellarphysik, Kosmologie und dem Ursprung der Elemente. Supernovae sind die primäre Quelle für die meisten schweren Elemente im Universum — Eisen, Nickel und die gesamte Suite von Elementen, die in der Sternennukleosynthese synthetisiert und in Supernovaexplosionen verteilt werden. Das Verständnis der Rate und Eigenschaften früherer Supernovae beschränkt Modelle der galaktischen chemischen Evolution und letztendlich die kosmische Geschichte der Bedingungen, die planetarische Systeme wie unseres möglich machten.

Die nächste Generation von Detektoren

Der Nachfolger von Super-Kamiokande, Hyper-Kamiokande — ein derzeit in derselben japanischen Mine konstruierter Detektor, der zwanzigmal größer ist — wird über ausreichende Empfindlichkeit für eine hochzuverlässige Detektion innerhalb von Jahren nach Betriebsbeginn verfügen. Das Deep Underground Neutrino Experiment in den Vereinigten Staaten verwendet Flüssigaragon-Technologie und ergänzt Wasser-basierte Detektoren mit unterschiedlichen Empfindlichkeitsmerkmalen, besonders für den niedrigenergetischen Teil des Spektrums.

Diese Instrumente stellen zusammen einen echten Leistungssprung in der Neutrinophysik dar. Sollte der diffuse Supernova-Hintergrund wie vorhergesagt erfasst werden, würde dies die erste direkte Messung der integrierten Geschichte massiver Sternentode über die kosmische Zeit darstellen — eine kosmische Volkszählung der Sternviolenz, die bis in Epochen weit vor der Existenz der Erde zurückreicht, nun sichtbar gemacht durch Instrumente, die unter Bergen vergraben sind, um die stillsten Echos der gewalttätigsten Ereignisse des Universums zu erfassen.

Dieser Artikel basiert auf der Berichterstattung von Space.com. Lesen Sie den Originalartikel