A Luz Mais Antiga do Universo
Quando uma estrela massiva entra em colapso em uma estrela de nêutrons ou buraco negro, ela libera um surto de neutrinos tão intenso que uma explosão estelar em uma galáxia distante pode enviar sinais detectáveis através de bilhões de anos-luz de espaço. A detecção em 1987 de neutrinos de uma supernova na Grande Nuvem de Magalhães — uma galáxia vizinha a cerca de 168.000 anos-luz de distância — foi um momento histórico na astrofísica, abrindo uma nova janela observacional para um dos eventos mais violentos do universo.
Mas as supernovas individuais próximas são raras. A grande maioria das mortes estelares ocorreu em distâncias cosmológicas, ao longo de toda a história de 13,8 bilhões de anos do universo. Seus surtos de neutrinos individuais, integrados ao longo do tempo e espaço cósmicos, produziram um fundo de neutrinos relíquias que permeia o universo — fraco, chegando de todas as direções e carregando informações sobre a história completa da morte estelar desde as épocas mais antigas da formação de estruturas até o presente.
Esta radiação de fundo de supernova difusa foi prevista teoricamente por décadas. Detectá-la é o próximo grande objetivo da astrofísica de neutrinos, e uma nova geração de detectores profundamente subterrâneos está dentro do alcance de alcançá-la.
O Desafio Técnico
Detectar o fundo de supernova difusa é extraordinariamente difícil. Os neutrinos envolvidos têm baixa energia — na faixa de dezenas de MeV — e chegam a uma taxa de talvez alguns eventos por ano por mil toneladas métricas de material detector. Separar esses sinais astrofísicos genuínos dos fundos criados por neutrinos de reator, neutrinos atmosféricos e decaimentos radioativos dentro do detector requer detectores enormes de pureza extraordinária, operados profundamente sob terra para se protegerem contra fundos de raios cósmicos.
O detector Super-Kamiokande no Japão tem sido o líder global nesta busca. Atualizações recentes incorporando gadolínio no volume de água do detector — que melhora dramaticamente a capacidade de identificar nêutrons produzidos em eventos de decay beta inverso — trouxeram o detector ao alcance de sensibilidade suficiente para observar o sinal. Dados iniciais do detector atualizado mostraram pistas intrigantes consistentes com o sinal esperado, embora ainda não com significância estatística suficiente para uma reivindicação de detecção definitiva.
O Que a Detecção Revelaria
Uma detecção confiante do fundo de supernova difusa produziria várias medidas físicas importantes. A intensidade total do sinal restringe a taxa de supernova cosmológica total — quantas mortes estelares ocorreram por unidade de volume ao longo da história cósmica. O espectro de energia dos neutrinos detectados fornece informações sobre as propriedades médias dos colapsos estelares que os produziram: massa média do progenitor, dinâmica de colapso média e fração de colapsos que produzem buracos negros versus estrelas de nêutrons.
Essas medidas incidem sobre questões fundamentais em física estelar, cosmologia e a origem dos elementos. Supernovas são a fonte primária da maioria dos elementos pesados do universo — ferro, níquel e toda a suíte de elementos sintetizados em nucleossíntese estelar e dispersos em explosões de supernova. Compreender a taxa e propriedades de supernovas passadas restringe modelos de evolução química galática e, em última análise, a história cósmica das condições que tornaram possíveis sistemas planetários como o nosso.
A Próxima Geração de Detectores
A sucessora do Super-Kamiokande, Hyper-Kamiokande — um detector vinte vezes maior atualmente em construção na mesma mina japonesa — terá sensibilidade suficiente para uma detecção de alta confiança dentro de anos após começar a operar. O Deep Underground Neutrino Experiment nos Estados Unidos, utilizando tecnologia de argônio líquido, complementará detectores à base de água com características de sensibilidade diferentes, particularmente para a parte de energia mais baixa do espectro.
Juntos, esses instrumentos representam uma mudança genuína nos níveis em relação à capacidade de astrofísica de neutrinos. Se o fundo de supernova difusa for detectado como previsto, será a primeira medição direta da história integrada da morte de estrelas massivas ao longo do tempo cósmico — um censo cósmico da violência estelar que remonta a épocas muito antes de a Terra existir, agora tornada visível por instrumentos enterrados sob montanhas para ouvir os ecos mais quietos dos eventos mais violentos do universo.
Este artigo é baseado em reportagem da Space.com. Leia o artigo original
Originally published on space.com
