地下検出器は Earth より古い星からの光を捉える可能性がある

宇宙で最も古い光

巨大な恒星が中性子星またはブラックホールに崩壊すると、非常に激しいニュートリノバーストを放出し、遠い銀河の超新星爆発が何十億光年も離れた宇宙全体に検出可能な信号を送ることができます。1987年に大マゼラン雲の超新星からニュートリノが検出されました—隣接する銀河で約168,000光年離れています—は天体物理学の画期的な瞬間であり、宇宙で最も暴力的なイベントの1つの新しい観測窓を開きました。

しかし、個々の近い超新星は稀です。恒星の死の大多数は宇宙学的距離で、宇宙の13.8十億年の歴史全体にわたって発生しています。それらの個々のニュートリノバースト、宇宙時間と空間全体で統合されて、宇宙を浸透する遺跡ニュートリノの背景を生成しました—かすかで、すべての方向から到着し、構造形成の最初の時代から現在までの完全な恒星死の歴史に関する情報を運んでいます。

この拡散超新星背景放射は数十年前から理論的に予測されていました。それを検出することはニュートリノ天体物理学の次の大きな目標であり、新世代の深地下検出器はそれを達成する範囲内にあります。

技術的課題

拡散超新星背景放射の検出は非常に困難です。関与するニュートリノは低エネルギーです—数十MeVの範囲—そして検出器材料の1000メートルトン当たり年間数イベント程度の速度で到着する可能性があります。これらの本物の天体物理信号を反応炉ニュートリノ、大気ニュートリノ、検出器内の放射性崩壊によって作成されたバックグラウンドから分離するには、宇宙線バックグラウンドから保護するために深地下で動作する、並外れた純度の巨大な検出器が必要です。

日本のSuper-Kamiokande検出器は、この検索のグローバルリーダーでした。検出器の水体積にガドリニウムを組み込む最近のアップグレード—逆ベータ崩壊イベントで生成されたニュートロンを識別する能力を劇的に向上させます—検出器を信号を観測するのに十分な感度の範囲内にもたらしました。アップグレードされた検出器からの初期データは、期待される信号と一致する魅力的なヒントを示しており、決定的な検出クレームのための統計的有意性ではまだありません。

検出が明らかにするもの

拡散超新星背景放射の確実な検出は、いくつかの重要な物理的測定をもたらすでしょう。信号の総強度は、総宇宙学的超新星率を制限します—宇宙の歴史全体で単位体積あたりいくつの恒星の死が発生したか。検出されたニュートリノのエネルギースペクトルは、それらを生成した恒星の崩壊の平均的な特性に関する情報を提供します：平均の原始星の質量、平均の崩壊ダイナミクス、崩壊がブラックホール対中性子星を生成する割合。

これらの測定は、恒星物理学、宇宙論、要素の起源に関する基本的な質問に関与しています。超新星は宇宙のほとんどの重い要素の主要な供給源です—鉄、ニッケル、および恒星核合成で合成され超新星爆発で分散された要素の完全なスイート。過去の超新星の速度と特性の理解は、銀河化学進化モデルを制限し、最終的に私たち自身のような惑星系を可能にした条件の宇宙の歴史を制限します。

次世代の検出器

Super-Kamiokande の後継者、Hyper-Kamiokande—現在同じ日本の鉱山で建設中の20倍大きい検出器—は、動作開始から数年以内に高い自信を持って検出するのに十分な感度を持ちます。米国の Deep Underground Neutrino Experiment は、液体アルゴン技術を使用して、異なる感度特性、特にスペクトルの低エネルギー部分の水ベースの検出器を補完します。

一緒に、これらの機器はニュートリノ天体物理学能力における本当のステップチェンジを表しています。拡散超新星背景放射が予測されたとおりに検出される場合、それは宇宙時間全体にわたる大質量恒星死の統合履歴の最初の直接測定になるでしょう—Earth が存在する前ずっと前までさかのぼる恒星暴力の宇宙国勢調査、今では宇宙で最も暴力的なイベントの最も静かなエコーに耳を傾けるために山の下に埋められた機器によって見えるようになります。

この記事は Space.com によるレポートに基づいています。 元の記事を読む.