Un détecteur souterrain pourrait capturer la lumière d'étoiles plus anciennes que la Terre

La Lumière la Plus Ancienne de l'Univers

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

Mais les supernovas 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 rafales de neutrinos individuelles, intégrées au fil du temps et de l'espace cosmiques, ont produit un fond de neutrinos reliques qui imprègne l'univers — faible, provenant de toutes les directions et portant des informations sur l'histoire complète de la mort stellaire depuis les premières époques de la formation de structures jusqu'à aujourd'hui.

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

Le Défi Technique

Détecter le fond de supernova diffuse est extraordinairement difficile. Les neutrinos impliqués sont de faible énergie — dans la gamme de quelques dizaines de MeV — et arrivent à un taux d'environ quelques événements par an par mille tonnes métriques de matériau détecteur. Séparer ces véritables signaux astrophysiques des fonds créés par les neutrinos de réacteur, les neutrinos atmosphériques et les désintégrations radioactives dans le détecteur nécessite des détecteurs énormes d'une pureté extraordinaire, exploités profondément sous terre pour se protéger contre les fonds de rayons cosmiques.

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

Ce que la Détection Révélerait

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

Ces mesures portent sur des questions fondamentales en physique stellaire, en cosmologie et à l'origine des éléments. Les supernovas sont la source primaire de la plupart des éléments lourds de l'univers — fer, nickel et toute la gamme d'éléments synthétisés dans la nucléosynthèse stellaire et dispersés dans les explosions de supernova. Comprendre le taux et les propriétés des supernovas passées contraint les modèles d'évolution chimique galactique et, en fin de compte, 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 de haute confiance quelques années après le début de l'exploitation. L'expérience Deep Underground Neutrino Experiment aux États-Unis, utilisant la technologie de l'argon liquide, complètera les détecteurs à base d'eau avec des caractéristiques de sensibilité différentes, particulièrement pour la partie basse énergie du spectre.

Ensemble, ces instruments représentent un véritable saut en avant en matière de capacité en astrophysique des neutrinos. Si le fond de supernova diffuse est détecté comme prévu, ce sera la première mesure directe de l'histoire intégrée de la mort des étoiles massives dans le temps cosmique — un recensement cosmique de la violence stellaire remontant à des époques bien avant l'existence de la Terre, maintenant rendu visible par des instruments enterrés sous les montagnes pour écouter les échos les plus doux des événements les plus violents de l'univers.

Cet article est basé sur des informations de Space.com. Lire l'article original