We wnętrzu japońskich gór, w ogromnym zbiorniku wypełnionym 50 tysiącami ton krystalicznie czystej wody, naukowcy usłyszeli ledwo uchwytny szept Wszechświata. Super-Kamiokande – jeden z najczulszych „teleskopów neutrinowych” na świecie – zarejestrował pierwsze oznaki tak zwanego rozproszonego tła neutrin z wybuchów supernowych (DSNB). Są to cząstki zrodzone w termojądrowym piekle niezliczonych eksplozji gwiezdnych na przestrzeni całej historii kosmosu.
Neutrina nie bez powodu nazywa się „duchami” lub „kosmicznymi zjawami”. Te cząstki elementarne prawie nie oddziałują z materią: w każdej sekundzie biliony z nich przenikają przez ludzkie ciało, nie pozostawiając po sobie żadnego śladu. Jednocześnie to właśnie one odpowiadają za lwią część energii uwalnianej podczas wybuchu supernowej. Gdy masywna gwiazda wyczerpuje swoje paliwo, jej jądro zapada się, co uruchamia reakcję łańcuchową i generuje około 10^58 neutrin – liczbę, którą trudno sobie nawet wyobrazić. Światło, które widzimy jako jasny błysk, stanowi zaledwie około 1% energii eksplozji. Reszta ulatuje w przestrzeń właśnie w postaci tych nieuchwytnych cząstek.
Do tej pory astronomowie obserwowali neutrina pochodzące tylko z jednej supernowej – SN 1987A w Wielkim Obłoku Magellana, która wybuchła w 1987 roku. Było to wydarzenie z „naszego podwórka”, oddalone o zaledwie 168 tysięcy lat świetlnych. Z kolei neutrina tła stanowią zbiorowy głos wszystkich supernowych, jakie rozbłysły w różnych zakątkach Wszechświata na przestrzeni miliardów lat. Rozproszyły się one we wszystkich kierunkach, tracąc na sile, i obecnie wypełniają przestrzeń w formie subtelnego „szeptu”. Teoretycznie przez każdy centymetr kwadratowy Ziemi w każdej sekundzie powinno przelatywać kilka takich cząstek.
Międzynarodowy zespół Super-Kamiokande przeanalizował dane z 5002 dni obserwacji – z okresu między 2008 a 2020 rokiem (pomiary w czystej wodzie) oraz po 2020 roku, gdy dodano gadolin dla zwiększenia czułości urządzenia. Naukowcy precyzyjnie odfiltrowali szum generowany przez neutrina atmosferyczne, promieniowanie kosmiczne i inne zakłócenia. W zakresie energetycznym 13–81 MeV udało się wyodrębnić sygnał istotny statystycznie, który pokrywa się z przewidywaniami modeli DSNB. Odpowiada on około 3,6 neutrina na centymetr kwadratowy na sekundę, co mieści się w oczekiwanym przedziale. Choć istotność na poziomie 2,6σ nie pozwala jeszcze na ogłoszenie pełnego odkrycia (wymagającego zazwyczaj 5σ), jest to pierwsze w historii tak przekonujące „echo”.
Dlaczego to osiągnięcie jest tak istotne? Supernowe to główne „kuźnie” ciężkich pierwiastków we Wszechświecie. Żelazo w naszej krwi, wapń w kościach czy tlen, którym oddychamy – wszystko to zostało niegdyś wyrzucone w kosmos w wyniku eksplozji dawnych gwiazd. Badając neutrina tła, zyskujemy możliwość analizy statystyk tych wybuchów w całej historii kosmosu: poznajemy ich częstotliwość, energię oraz wpływ na ewolucję chemiczną galaktyk. To unikalne okno na procesy, które ukształtowały świat w takiej formie, w jakiej go znamy.
Mimo że sygnał jest na razie słaby, detektor Super-Kamiokande wciąż gromadzi nowe dane, a w przyszłości wesprą go kolejne urządzenia. Cichy szept kosmicznych duchów stopniowo zmienia się w wyraźną opowieść o dramatycznych cyklach życia gwiazd. Każdy kolejny foton lub błysk w ogromnym podziemnym zbiorniku przybliża nas do pełniejszego zrozumienia narodzin i trwania naszego Wszechświata.
