地下探测器或可捕捉比地球更古老恒星的光线

宇宙中最古老的光

当大质量恒星坍塌形成中子星或黑洞时，它释放出的中微子爆发强度之大，使得遥远星系中的恒星爆炸能在数十亿光年的距离上发送可检测的信号。1987年在大麦哲伦云中超新星的中微子探测是一个天体物理学的里程碑时刻，为观测宇宙最剧烈事件之一打开了一扇全新的观测窗口。

但邻近的单个超新星很少见。绝大多数恒星死亡事件发生在宇宙学距离外，贯穿整个138亿年的宇宙历史。这些恒星死亡所释放的中微子爆发，在宇宙时间和空间范围内累积，形成了一个遍布整个宇宙的遗留中微子背景——微弱、来自四面八方，蕴含着从宇宙最早的结构形成直至今日的恒星死亡完整历史信息。

这种扩散超新星背景辐射已被理论预测数十年。探测它是中微子天体物理学的下一个重大目标，而新一代深地下探测器即将达到实现这一目标所需的灵敏度。

技术挑战

探测扩散超新星背景极其困难。所涉及的中微子能量很低——在数十MeV的范围——到达速率可能为每千吨探测器物质每年仅几个事件。要将这些真正的天体物理信号与反应堆中微子、大气中微子和探测器内放射性衰变产生的背景区分开，需要超大规模、超高纯度的探测器，并在深地下运行以屏蔽宇宙射线背景。

日本的Super-Kamiokande探测器一直领先全球进行这项搜索。最近的升级在探测器水体中掺入钆——这大大提高了识别逆β衰变事件中产生的中子的能力——使探测器的灵敏度足以观测到该信号。升级后探测器的初始数据显示了与预期信号相符的令人鼓舞的迹象，但统计显著性尚不足以做出明确的探测声明。

探测将揭示什么

如果能充分检测到扩散超新星背景，将产生几项重要的物理测量结果。信号的总强度约束了总宇宙超新星率——即宇宙历史上单位体积每年发生的恒星死亡次数。探测到的中微子能谱提供了关于产生这些中微子的恒星坍塌平均性质的信息：平均原恒星质量、平均坍塌动力学，以及产生黑洞与中子星的坍塌比例。

这些测量涉及恒星物理学、宇宙学和元素起源等基本物理问题。超新星是宇宙中大部分重元素的主要来源——铁、镍以及恒星核合成产生的全套元素，这些元素随着超新星爆炸而散布宇宙各处。了解过去超新星的发生率和性质可以约束银河系化学演化模型，最终可以约束宇宙历史上使像我们太阳系这样的行星系统成为可能的条件。

下一代探测器

Super-Kamiokande的继任者Hyper-Kamiokande——一个体积大20倍的探测器，目前正在同一日本矿山中建设——将具有足够的灵敏度在启动运行后数年内实现高置信度的探测。美国的Deep Underground Neutrino Experiment采用液态氩技术，将以不同的灵敏度特征补充基于水的探测器，特别是在谱的低能端。

总体而言，这些仪器代表了中微子天体物理学能力的真正跃升。如果扩散超新星背景按预期被探测到，它将是对跨越宇宙时间尺度的大质量恒星死亡综合历史的首次直接测量——一次追溯到地球形成之前久远年代、记录宇宙恒星暴力事件的宇宙人口普查，如今通过埋在山下的仪器得以显现，聆听宇宙最暴力事件最微弱的回响。

本文基于Space.com的报道。阅读原文。