Детекторы уловили шепот всех звездных взрывов во Вселенной сразу с рождения мира

25 июня 2026 года на XXXII Международной конференции по физике нейтрино и астрофизике в Университете Калифорнии в Ирвайне коллаборация Super-Kamiokande объявила: они нашли статистически значимый избыточный сигнал с уровнем достоверности 2,6 сигма, что соответствует 99,5% вероятности. Это значит, что случайным шумом результат объяснить нельзя, хотя до официального порога открытия (5 сигма) еще не дошли. Сам феномен называется Diffuse Supernova Neutrino Background, DSNB — диффузный фон нейтрино от сверхновых — и его обнаружение стало целью Super-Kamiokande с самого начала проекта.

Чтобы понять, почему это интересно, стоит вспомнить, что такое нейтрино. Это элементарные частицы с почти нулевой массой, которые практически не взаимодействуют с веществом: каждую секунду через каждый квадратный сантиметр вашего тела проходят миллиарды нейтрино, и ни одно из них вы не замечаете. Физики называют их частицами-призраками. При этом именно нейтрино уносят около 99% энергии при взрыве сверхновой — то есть при коллапсе ядра массивной звезды. Свет от такого взрыва — лишь ничтожная доля выброшенной энергии.

Во Вселенной сверхновые взрываются несколько раз в секунду. Начиная с рождения первых звезд и до наших дней каждый такой взрыв выпускал нейтрино, которые с тех пор летят по космосу. Они собрались в единый рассеянный поток — тот самый DSNB. Этот поток пронизывает все пространство равномерно, но его сигнал настолько слаб, что уловить его крайне трудно.

Super-Kamiokande — крупнейшая в мире подземная нейтринная обсерватория. Она стоит на глубине 1000 метров в шахте Камиока в японской префектуре Гифу. Внутри — цилиндрический резервуар с 50 000 тоннами сверхчистой воды и около 13 000 фотоумножителей, которые регистрируют слабые вспышки света, возникающие в воде в момент редчайших столкновений нейтрино с молекулами. Глубина нужна, чтобы горная порода отфильтровывала другие частицы, такие как космические лучи, не пропуская через себя нейтрино.

Решающим шагом для охоты на DSNB стало добавление гадолиния в воду в 2020 году. Гадолиний — редкоземельный металл с необычным свойством: его ядра очень эффективно захватывают нейтроны. Когда нейтрино сталкивается с молекулой воды, оно выбивает нейтрон. Раньше этот нейтрон было трудно отследить. С гадолинием нейтрон захватывается буквально за несколько микросекунд, и этот захват порождает вспышку гамма-лучей — четкую метку, которая отличает настоящие нейтрино от фоновых помех.

Команда проанализировала около 5000 дней наблюдений: 3349 дней работы с чистой водой (2008–2020) и 1653 дня с гадолиниевым раствором (2020 — по сей день). После отсева основных источников помех — атмосферных нейтрино и осколочных реакций в кислороде воды, вызванных космическими лучами, — в диапазоне энергий от 13,3 до 81,3 МэВ обнаружился избыточный сигнал. Измеренный поток DSNB составил 3,6 ± 1,6 частиц на квадратный сантиметр в секунду, что хорошо согласуется с предсказаниями теоретических моделей — например, с моделью Хориучи и соавторов 2009 года, которая предсказывала 2,1–3,9 частиц·см⁻²·с⁻¹.

Для сравнения: в 1987 году предшественник Super-Kamiokande — детектор Kamiokande — поймал 11 нейтрино от одной конкретной сверхновой SN 1987A в Большом Магеллановом Облаке, в 168 000 световых лет от Земли. Это стало первым в истории прямым обнаружением нейтрино от сверхновой за пределами Солнечной системы, а руководитель проекта Масатоши Косиба получил за это Нобелевскую премию по физике в 2002 году.

DSNB — это нечто принципиально другое. Там был один источник, близкий и мощный. Здесь — рассеянное суммарное эхо от всех взрывов за всю историю Вселенной. В каждом кубическом сантиметре пространства сейчас находится несколько сотен таких нейтрино.

Если исследователи накопят больше данных и доведут сигнал до 5 сигма, это откроет новый способ изучать историю звездообразования: зная, сколько нейтрино пришло, можно будет количественно проследить, как часто взрывались звезды в разные эпохи, и проверить модели нуклеосинтеза — того процесса, в ходе которого внутри звезд и при их взрывах появляются почти все химические элементы, включая углерод, кислород и железо в нашем теле.

Наблюдения продолжаются. Уже через несколько лет к Super-Kamiokande присоединится его преемник Hyper-Kamiokande — детектор с объемом воды в восемь раз больше.

Иллюстрацию Kamioka Observatory, Institute for Cosmic Ray Research, The University of Tokyo