Neutrinos von gescheiterten Supernovae: Eine neue Beobachtungsgrenze

Neutrinos sind winzige Teilchen, die in grossen Mengen während bestimmter astronomischer Ereignisse produziert werden, besonders bei Supernovae – den explosiven Todesfällen von massereichen Sternen. In manchen Fällen kann eine Supernova die erwartete Explosion nicht erzeugen, was zu einem Phänomen namens fehlgeschlagene Supernova führt. Dieses Ereignis kann zur Bildung eines schwarzen Lochs anstelle einer normalen Supernova-Explosion führen.

Am Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) in Italien sind Forscher daran interessiert, Wege zu finden, Neutrinos von diesen fehlgeschlagenen Supernovae zu beobachten. Sie glauben, dass bestehende Experimente, die sich auf andere Themen konzentrieren, wie Dunkle Materie und neutrino-freier Doppel-Beta-Zerfall, auch zur Detektion von Neutrinos dienen können, die während dieser seltenen Ereignisse freigesetzt werden. Das kann erreicht werden, indem man die "Veto-Regionen" dieser Detektoren nutzt, die speziell dafür ausgelegt sind, unerwünschte Signale herauszufiltern, und ein Netzwerk kleiner Detektoren schafft, die Neutrinos erhaschen können.

Wenn ein massereicher Stern seinen Treibstoff aufbraucht, kann er der Schwerkraft nicht mehr standhalten, was zum Kollaps des Kerns führt. Dieser Kollaps führt zu extrem hohen Dichten und Temperaturen. Der innere Kern prallt zurück und erzeugt Stosswellen. Wenn die Stosswelle nicht zu einer vollständigen Explosion führt und der Kern weiterhin mehr Masse anzieht, kann sich ein schwarzes Loch bilden. Während dieses Prozesses wird eine grosse Menge Energie freigesetzt, wobei der Grossteil von Neutrinos über etwa zehn Sekunden hinweg weggetragen wird. Bis jetzt wurde nur eine Supernova, SN1987A, durch Neutrino-Signale nachgewiesen.

Obwohl die Vorkommen von Supernovae selten sind (etwa eine pro Jahrhundert in unserer Galaxie), könnten aktuelle und zukünftige Detektoren, wenn eine weitere in der Nähe passiert, tausende Neutrino-Ereignisse beobachten. Das würde wichtige frühe Warnungen für optische Teleskope liefern, um das nachfolgende Licht von der Explosion einzufangen.

In Fällen, wo extrem massereiche Sterne kollabieren, können sie versagen, vollständig zu explodieren. Stattdessen kann das Material, das auf einen Proto-Neutronenstern fällt, zur Bildung eines schwarzen Lochs führen. In dieser Situation können Neutrino- und Gravitationswellenausstrahlungen plötzlich aufhören, mit wenig bis keinem Lichtsignal vom Stern, bevor er verschwindet. Das bedeutet, dass die Detektion von Neutrinos und Gravitationswellen entscheidend ist, um diese Ereignisse zu verstehen.

Es gibt verschiedene Arten von Detektoren, die Neutrinos aufnehmen können, darunter Wassertanks, flüssige Szintillatordetektoren und Detektoren, die entwickelt wurden, um nach Dunkler Materie zu suchen. Die LNGS-Anlage hat mehrere Experimente am Laufen, einschliesslich des Large Volume Detectors (LVD), das darauf abzielt, Neutrinos von Supernovae zu detektieren. Diese verschiedenen Experimente verwenden grosse Wassertanks als Veto-Regionen, um Rauschen von anderen Quellen, wie kosmischen Strahlen oder natürlicher Radioaktivität, herauszufiltern.

Forscher schlagen vor, diese Veto-Regionen aus verschiedenen Experimenten als ein kombiniertes Netzwerk zu nutzen, um Neutrinos von kernkollabierenden Supernovae (CCSNe) zu detektieren. Sie glauben auch, dass dieses Netzwerk genau bestimmen könnte, wann ein schwarzes Loch entsteht, was es Gravitationswellendetektoren, wie VIRGO und das zukünftige Einstein-Teleskop, ermöglichen würde, nach Gravitationswellen zu suchen, die möglicherweise mit dem Neutrinosignal einhergehen.

Das Papier diskutiert die Modelle der Neutrinoemission von fehlgeschlagenen Supernovae und skizziert die Ereignisraten von den verschiedenen Detektoren am LNGS. Die Neutrino-Luminosität und die durchschnittliche Energie werden im Laufe der Zeit voraussichtlich variieren. Indem bestimmte Modelle berücksichtigt werden, erwarten sie, die Zeitpunkte der schwarzen Lochbildung mit ihren Detektoren zu berechnen.

Der LVD ist ein grosser flüssiger Szintillatordetektor und derzeit am LNGS in Betrieb. Andere bestehende Experimente, wie COSINUS, LEGEND-200 und XENONnT, haben ebenfalls Veto-Regionen, die in dieser Forschung funktionieren können. Diese Tanks unterschiedlicher Grösse sind entscheidend für die Detektion von Neutrinos, besonders von nahegelegenen Supernovae.

Der Hauptprozess zur Detektion von Supernova-Neutrinos umfasst eine Wechselwirkung, die als inverse Betazerfall bezeichnet wird, bei der Elektronen-Antineutrinos mit freien Protonen interagieren. Die Ereignisraten für diese Wechselwirkungen können erheblich sein, besonders wenn die Supernova nah an der Erde ist.

Für nahegelegene fehlgeschlagene Supernovae kann die erwartete Ereignisrate sehr hoch sein, was bedeutet, dass viele Neutrinos detektierbar wären. Diese Erkenntnis ist entscheidend für die Planung zukünftiger Experimente und die Maximierung ihrer Datensammelkapazitäten.

Die erwartete Anzahl von Neutrinoereignissen für verschiedene Detektoren hängt von der Entfernung der Supernova von der Erde ab. Der LVD und die Veto-Regionen anderer Detektoren sind empfindlich genug, um Signale von Supernovae selbst in benachbarten Galaxien wie der Kleine Magellansche Wolke aufzunehmen.

Es gibt eine detaillierte Vorhersage, wie viele Ereignisse des inversen Betazerfalls jeder Detektor von einer Supernova in einer bestimmten Anzahl von Kiloparsecs erwarten kann. Die modulare Struktur der Veto-Regionen sorgt dafür, dass sie eine hohe Betriebsrate aufrechterhalten können, sodass, wenn ein Detektor wegen Wartung ausfällt, andere weiterhin beobachten können.

Die Fähigkeit dieser Detektoren, die genaue Zeit für die schwarze Lochbildung bereitzustellen, ist entscheidend. Diese Zeit hilft den Forschern, mit Gravitationswellen zu korrelieren, was besonders wichtig ist, wenn von der Supernova kein Licht sichtbar ist.

Forscher führen Simulationen durch, um verschiedene Zeiten im Zusammenhang mit der Neutrinodetektion und der Bildung von schwarzen Löchern zu schätzen. Sie analysieren die Zeiten der ersten und letzten Neutrinoereignisse und wollen diese Zeiten mit dem Zeitpunkt korrelieren, zu dem ein schwarzes Loch entsteht. Das Ziel ist, eine präzise Zeitangabe zu haben, wenn Warnungen an Gravitationswellendetektoren gesendet werden.

Die Studie zeigt, dass es einen systematischen Unterschied zwischen der Zeit des letzten detektierten Neutrinos und der Zeit gibt, in der das schwarze Loch tatsächlich gebildet wird. Der Unterschied kann durch eine berechnete Grösse beschrieben werden, die aus den beobachteten Daten abgeleitet ist, was hilft, eine bessere Schätzung für die Entstehungszeit zu geben.

Durch die Kombination von Daten aus verschiedenen Detektoren wird die Präzision der Zeitabschätzungen erhöht. Dieser Netzwerkansatz kann die Unsicherheiten im Vergleich zu Einzeldetektorsystemen erheblich reduzieren.

Die erwarteten Unsicherheiten bei der Messung der Zeit der schwarzen Lochbildung variieren je nach Modellen und Detektoren. Für die aktuellen LNGS-Konfigurationen könnte die Unsicherheit ähnlich sein wie bei dedizierten Supernova-Experimenten. Zukünftige Detektoren wie LEGEND-1000 und DARWIN sollen diese Zeitmessungen noch weiter verbessern.

Während einige andere Detektoren, wie Super-Kamiokande, genauere Messungen liefern könnten, hat LNGS den Vorteil, in unmittelbarer Nähe zu Gravitationswellendetektoren zu sein. Diese Verbindung könnte eine bessere Koordination und frühere Warnungen für die Suche nach Gravitationswellen erleichtern.

Wenn die Forschung voranschreitet, plant das LNGS, seine bestehende Infrastruktur und zukünftige Experimente zu nutzen, um die wissenschaftliche Ausbeute aus der Neutrinoerkennung zu maximieren. Die Kombination verschiedener Detektortypen und Ansätze wird ein umfassenderes Bild von kernkollabierenden Supernovae und fehlgeschlagenen Supernova-Phänomenen liefern.

Durch die Nutzung bestehender Detektortechnologie können Forscher wertvolle Einblicke in astrophysikalische Ereignisse gewinnen, ohne völlig neue und teure Projekte starten zu müssen. Diese Strategie ist sowohl kosteneffektiv als auch zeitgerecht und stellt sicher, dass die aktuellen Fortschritte die bestmöglichen Ergebnisse bei der Detektion von Neutrinos von Supernovae liefern.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Fähigkeit, Neutrinos von fehlgeschlagenen Supernovae am LNGS zu beobachten, das Verständnis dieser kosmischen Ereignisse erheblich verbessern könnte. Die kombinierten Anstrengungen verschiedener Detektoren helfen nicht nur, Neutrinoemissionen mit erhöhter Genauigkeit zu messen, sondern auch kritische Zeitinformationen für assoziierte Gravitationswellensignale bereitzustellen. Die fortlaufende Forschung in diesem Bereich verspricht, weitere Informationen über die gewaltsamen Todesfälle von Sternen und die Bildung von schwarzen Löchern zu enthüllen und mehr über das Universum, in dem wir leben, preiszugeben.