Модернизированный японский детектор Super-Kamiokande начал поиск нейтрино от древних сверхновых, вспыхнувших миллиарды лет назад. Учёные рассчитывают зафиксировать «призрачные частицы», которые несут информацию о взрывах звёзд, произошедших ещё до формирования Земли.

Нейтрино — это почти невидимые элементарные частицы, которые часто называют «частицами-призраками». Они не имеют электрического заряда и практически не взаимодействуют с веществом, свободно проходя сквозь планеты и даже человеческие тела. По словам учёных, через тело человека каждую секунду проходят миллиарды таких частиц.

При взрыве сверхновой звезды именно нейтрино уносят основную энергию. Только около 1% энергии превращается в видимый свет, а остальные 99% улетучиваются в виде этих «призрачных» частиц. Это делает их уникальными носителями информации о процессах, происходящих в момент гибели массивных звёзд.

Детектор Super-Kamiokande, расположенный глубоко под землёй в Японии, прошёл ключевую модернизацию для повышения чувствительности. В июле в резервуар с ультрачистой водой добавили около 13 тонн соединений редкоземельного металла гадолиния, создав концентрацию примерно 0,01%.

Специалисты объясняют, что некоторые взаимодействия нейтрино производят нейтроны, а гадолиний, вступая с ними в реакцию, генерирует вспышку гамма-излучения. Её легко фиксируют оптические сенсоры детектора. Эта технология позволяет фиксировать гамма-вспышки от взаимодействия гадолиния с нейтронами, что помогает выделить сигналы нейтрино, и повышает чувствительность установки для поиска диффузного нейтринного фона сверхновых (DSNB). Проект по внедрению гадолиния, SK-Gd, стартовал в 2020 году.

Учёные надеются зафиксировать нейтрино, испущенные сверхновыми звёздами, которые взорвались до существования Солнечной системы — некоторые частицы путешествовали к Земле более 10 миллиардов лет. Это позволит изучать коллективную историю всех массивных звёзд, когда-либо живших и погибших во Вселенной.

В нашей галактике Млечный Путь сверхновые вспыхивают редко — примерно раз в несколько десятилетий. Однако в масштабах всей Вселенной массивная звезда взрывается с частотой примерно один раз в секунду. Детектор теперь достаточно чувствителен, чтобы уловить слабое свечение от всех этих взрывов, накопленное за всю историю космоса.

Обнаружение диффузного нейтринного фона приблизит науку к ответу на фундаментальные вопросы о конечной судьбе массивных звёзд. Астрофизики стремятся понять, что остаётся после коллапса ядра: образуется ли нейтронная звезда или чёрная дыра.

Нейтронные звёзды — невероятно плотные объекты диаметром около 20 километров, размером с крупный город. Изучая нейтрино, можно получить данные об их плотности и процессе охлаждения. Если в 2026 году удастся добиться первого чёткого обнаружения такого фона, это ознаменует начало новой эры в астрономии — нейтринной астрономии, которая позволит наблюдать не только ближайшие взрывы, но и совокупную историю звёздной эволюции Вселенной.