La plus ancienne lumière de l'univers

Lorsqu'une étoile massive s'effondre en une étoile à neutrons ou un trou noir, elle libère une salve de neutrinos si intense qu'une explosion de supernova dans une galaxie lointaine peut envoyer des signaux détectables à travers des milliards d'années-lumière d'espace. La détection de neutrinos d'une supernova en 1987 dans le Grand Nuage de Magellan — une galaxie voisine à environ 168 000 années-lumière de distance — était un moment décisif en astrophysique, ouvrant une nouvelle fenêtre d'observation sur l'un des événements les plus violents de l'univers.

Mais les supernovae proches individuelles sont rares. La grande majorité des morts stellaires se sont produites à des distances cosmologiques, sur toute l'histoire de 13,8 milliards d'années de l'univers. Leurs salves de neutrinos individuelles, intégrées sur le temps et l'espace cosmiques, ont produit un fond de neutrinos reliques qui imprègne l'univers — faible, arrivant de toutes les directions, et transportant des informations sur l'histoire complète des morts stellaires depuis les premières époques de la formation des structures jusqu'à nos jours.

Ce rayonnement de fond de supernova diffus a été prédit théoriquement depuis des décennies. Le détecter est le prochain grand objectif de l'astrophysique des neutrinos, et une nouvelle génération de détecteurs profondément enfouis sous terre est à portée de le réaliser.

Le défi technique

Détecter le rayonnement de fond de supernova diffus est extraordinairement difficile. Les neutrinos impliqués sont de faible énergie — dans la gamme de quelques dizaines de MeV — et arrivent à un taux de peut-être quelques événements par an par mille tonnes métriques de matière de détecteur. Séparer ces véritables signaux astrophysiques des arrière-plans créés par les neutrinos des réacteurs, les neutrinos atmosphériques et les décroissances radioactives dans le détecteur nécessite d'énormes détecteurs d'une pureté extraordinaire, exploités profondément sous terre pour se protéger contre les arrière-plans des rayons cosmiques.

Le détecteur Super-Kamiokande au Japon a été le leader mondial dans cette recherche. Des améliorations récentes incorporant du gadolinium dans le volume d'eau du détecteur — ce qui améliore considérablement la capacité à identifier les neutrons produits lors des événements de désintégration bêta inverse — ont amené le détecteur à portée de sensibilité suffisante pour observer le signal. Les données initiales du détecteur amélioré ont montré des indices alléchants compatibles avec le signal attendu, bien que pas encore avec une signification statistique suffisante pour une affirmation de détection définitive.

Ce que la détection révélerait

Une détection fiable du rayonnement de fond de supernova diffus produirait plusieurs mesures physiques importantes. L'intensité totale du signal limite le taux de supernova cosmologique total — combien de morts stellaires se sont produites par unité de volume dans l'histoire cosmique. Le spectre énergétique des neutrinos détectés fournit des informations sur les propriétés moyennes des effondrements stellaires qui les ont produits : masse de progéniteur moyenne, dynamique d'effondrement moyenne et fraction des effondrements produisant des trous noirs par rapport aux étoiles à neutrons.

Ces mesures portent sur des questions fondamentales en physique stellaire, cosmologie et origine des éléments. Les supernovae sont la source primaire de la plupart des éléments lourds de l'univers — le fer, le nickel et l'ensemble complet des éléments synthétisés dans la nucléosynthèse stellaire et dispersés dans les explosions de supernova. La compréhension du taux et des propriétés des supernovae passées limite les modèles d'évolution chimique galactique et finalement l'histoire cosmique des conditions qui ont rendu possibles des systèmes planétaires comme le nôtre.

La prochaine génération de détecteurs

Le successeur de Super-Kamiokande, Hyper-Kamiokande — un détecteur vingt fois plus grand actuellement en construction dans la même mine japonaise — aura une sensibilité suffisante pour une détection à haute confiance en quelques années suivant le début de l'opération. L'Expérience Deep Underground Neutrino aux États-Unis, utilisant la technologie de l'argon liquide, complétera les détecteurs à base d'eau avec des caractéristiques de sensibilité différentes, particulièrement à la partie basse énergie du spectre.

Ensemble, ces instruments représentent un véritable changement de degré dans la capacité de l'astrophysique des neutrinos. Si le rayonnement de fond de supernova diffus est détecté comme prédit, ce sera la première mesure directe de l'histoire intégrée de la mort des étoiles massives à travers le temps cosmique — un recensement cosmique de la violence stellaire s'étendant jusqu'à des époques bien avant que Earth n'existe, maintenant rendu visible par des instruments enterrés sous des montagnes pour écouter les échos les plus silencieux des événements les plus violents de l'univers.

Cet article est basé sur un reportage de Space.com. Lire l'article original.