Podziemny japoński teleskop zapoluje na widma gwiazd. Umarły nim powstała Ziemia
Tysiąc metrów pod górą Ikeno w rejonie Kamioka w mieście Hida w Japonii znajduje się cylindryczny zbiornik wypełniony 50 tysiącami ton wody. Dzięki ostatniej modernizacji ten wodny teleskop polujący na neutrina stał się wystarczająco czuły, by wykryć słabą „poświatę” wszystkich eksplodujących gwiazd we Wszechświecie.
Niewielu astronomów ma tyle szczęścia co Duńczyk Tycho Brahe. Ten znakomity naukowiec mógł na własne oczy obserwować jasną supernową, która rozświetliła niebo w 1572 roku i była widoczna przez kolejne dwa lata.
Te potężne kosmiczne eksplozje, często jaśniejsze niż cała galaktyka, w naszej galaktyce zdarzają rzadko. Ocenia się, że mniej niż jeden procent gwiazd jest na tyle masywnych, by zakończyć swe życie jako supernowa. Mowa o gwiazdach o masach co najmniej około ośmiokrotnie większej od masy Słońca.
Neutrino, niewidzialna cząstka
W całym rozległym Wszechświecie do eksplozji supernowych dochodzi nawet raz na sekundę. Ale nawet, jeśli uda się nam dostrzec niektóre z nich dzięki coraz potężniejszym teleskopom, to dostrzeżony rozbłysk stanowi jedynie niewielką część całej historii.
Większość energii supernowej jest unoszona przez neutrina – niemal niewidzialne cząstki, często nazywane „cząstkami duchami”, ponieważ przenikają przez niemal wszystko, co napotkają na swojej drodze. W każdej jednej sekundzie miliardy tych widmowych cząstek przechodzą przez nasze ciała. Niektóre z nich podróżowały przez kosmos ponad 10 miliardów lat, zanim dotarły na Ziemię.
Naukowcy nauczyli się wykrywać neutrina. Dzięki niezwykle potężnemu teleskopowi zakopanemu głęboko pod ziemią w Japonii, astronomowie mogą wkrótce uchwycić ślad tych gwiezdnych „duchów” – a wraz z nim pozostałości po eksplozjach gwiazd, które zginęły nawet 10 miliardów lat temu.
Wszystko dzięki modernizacji japońskiego teleskopu Super-Kamiokande (Super-K, ang. Super-Kamioka Neutrino Detection Experiment), która znacząco zwiększyła jego zdolność wykrywania neutrin pochodzących z supernowych.
Złapane w wodzie
Super-K jest wielkoskalowym wodnym detektorem tzw. promieniowania Czerenkowa. Promieniowanie Czerenkowa powstaje, gdy naładowana cząstka porusza się w ośrodku szybciej niż światło w tym ośrodku, tworząc charakterystyczny stożek promieniowania wykorzystywany w detekcji cząstek elementarnych.
Głównym elementem instalacji jest cylindryczny zbiornik wykonany ze stali nierdzewnej, o wysokości i średnicy wynoszących około 40 metrów. W jego wnętrzu znajduje się około 50 000 ton ultra-czystej wody, a ściany pokryte są blisko 13 000 fotopowielaczami, które pełnią rolę bardzo czułych detektorów światła.
Fotopowielacze rejestrują stożek promieniowania Czerenkowa, emitowany przez naładowane cząstki poruszające się w wodzie z prędkością większą niż prędkość światła w tym ośrodku. Cząstki te powstają w wyniku oddziaływania neutrin z protonami, neutronami lub elektronami w wodzie.
Umieszczenie eksperymentu kilometr pod ziemią pozwala znacząco ograniczyć wpływ promieniowania kosmicznego, które mogłoby zakłócać pomiary.
Eksplodujące gwiazdy z całego Wszechświata
W ramach najnowszej modernizacji urządzenia dodano do wody w detektorze niewielką ilość siarczanu gadolinu, pierwiastka charakteryzującego się bardzo dużą zdolnością wychwytywania neutronów. Dzięki temu możliwe stało się znacznie skuteczniejsze rozpoznawanie zdarzeń neutrinowych, ponieważ wychwycony przez gadolin neutron emituje charakterystyczne promieniowanie gamma, które stanowi dodatkowy sygnał dla fotopowielaczy.
– Dla mnie, jako astrofizyka cząstek elementarnych, byłoby to prawdopodobnie jedno z najbardziej ekscytujących osiągnięć naukowych w moim życiu. Oznaczałoby bowiem, że moglibyśmy obserwować cząstki powstałe jeszcze zanim powstała Ziemia, ponieważ teleskop jest obecnie wystarczająco czuły, by wykryć słabą „poświatę” wszystkich eksplodujących gwiazd we wszechświecie – napisał w artykule opublikowanym na łamach „The Conversation” dr Pablo Martinez Mirave, ekspert w dziedzinie teoretycznej fizyki wysokich energii, fizyki astropartykułowej oraz fizyki grawitacji z Uniwersytetu Kopenhaskiego.
Na tropie zbiorowej historii masywnych gwiazd
Jeśli naukowcom uda się wykryć łączny sygnał ze wszystkich supernowych, jakie kiedykolwiek wystąpiły, przybliży nas to do odpowiedzi na wiele pytań.
– Pozwoli nam to również badać śmierć gwiazd na przestrzeni całej historii Wszechświata, korzystając z cząstek, które podróżują w naszym kierunku przez miliardy lat, nie zatrzymując się ani razu – napisał naukowiec.
Bo choć neutrina są niemal niewidoczne, niosą ze sobą historię każdej gwiazdy, która kiedykolwiek eksplodowała — i teraz, po raz pierwszy, możemy być w stanie je wykryć.
Jeśli więc rok 2026 rzeczywiście przyniesie pierwszą wyraźną detekcję, będzie to początek nowej ery w astronomii. Po raz pierwszy nie będziemy obserwować jedynie spektakularnych eksplozji pojedynczych pobliskich gwiazd, lecz zbiorową historię wszystkich masywnych gwiazd, które kiedykolwiek powstały i umarły.
Źródło: The Conversation
Nasza autorka
Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka
Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Pisze przede wszystkim o eksploracji kosmosu, astronomii i historii. Związana z Centrum Badań Kosmicznych PAN oraz magazynami portali Gazeta.pl i Wp.pl. Ambasadorka Śląskiego Festiwalu Nauki. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.