Na konci roku 2019 začala Betelgeuse, hvězda tvořící levé rameno souhvězdí Orion, znatelně pohasínat, což vyvolalo spekulace o blížící se supernově. Pokud by explodovala, byl by tento vesmírný soused vzdálený pouhých 700 světelných let od Země viditelný ve dne po celé týdny. Přesto by 99 % energie výbuchu nebylo přenášeno světlem, ale neutriny, částicemi podobnými duchům, které jen zřídka interagují s jinou hmotou.
Pokud Betelgeuse skutečně brzy vybuchne jako supernova, detekce emitovaných neutrin by „dramaticky zlepšila naše chápání toho, co se děje hluboko v jádru supernovy,“ řekl teoretik z Fermilab Sam McDermott. A představovalo by to jedinečnou příležitost ke zkoumání vlastností samotných neutrin. Experiment Deep Underground Neutrino Experiment, který hostí Fermilab a jehož provoz má být zahájen koncem roku 2020, je vyvíjen s ohledem na tyto cíle.
Jen jednou předtím vědci detekovali neutrina emitovaná supernovou: Během SN 1987A (jasná hvězda uprostřed) detektory zaznamenaly pouze asi dvě desítky neutrinových interakcí. Explodující hvězda se nacházela ve Velkém Magellanově mračnu, které je od Země vzdáleno 240krát více než Betelguese. Foto: ESO
Dálkový detektor DUNE – obrovská nádrž s kapalným argonem v Sanford Underground Research Facility v Jižní Dakotě – bude zachycovat signály zanechané neutriny vysílanými z Fermilabu, stejně jako signály přicházející z vesmíru. Protože supernova vysílá neutrina rovnoměrně do všech směrů, počet neutrin, která by DUNE mohl detekovat, klesá se čtvercem vzdálenosti mezi supernovou a Zemí. To znamená, že počet neutrin, která by mohla být zachycena ve vzdálenosti 10 000 světelných let od supernovy, je 100krát menší než počet neutrin, která by mohla být zachycena ze stejně silné supernovy vzdálené 1 000 světelných let.
Z tohoto důvodu, pokud se supernova vyskytne uprostřed naší galaxie, desítky tisíc světelných let daleko, DUNE pravděpodobně zachytí několik tisíc neutrin. Vzhledem k relativní blízkosti Betelgeuze však vědci očekávají, že pokud červený veleobr v příštích desetiletích exploduje, detekuje DUNE kolem milionu neutrin, což nabídne obrovské množství dat.
Ačkoli světlo ze supernovy Betelgeuze by přetrvávalo týdny, výbuch neutrin by trval jen několik minut.
„Představte si, že jste v lese, je tam louka a na ní světlušky a v noci jich vylétnou tisíce,“ řekla Georgia Karagiorgi, fyzička z Kolumbijské univerzity, která vede tým pro výběr dat v DUNE. „Kdybychom mohli vidět interakce neutrin holýma očima, tak nějak by to vypadalo v detektoru DUNE.“
Detektor nebude přímo fotografovat přicházející neutrina. Spíše bude sledovat dráhy nabitých částic vznikajících při interakci neutrin s atomy argonu. Ve většině experimentů budou interakce neutrin dostatečně vzácné, aby nedošlo k záměně, které neutrino způsobilo kterou interakci a v jakém čase. Ale během supernovy v Betelgeuse by tolik neutrin přilétajících tak rychle mohlo představovat výzvu při analýze dat – podobně jako sledování jediné světlušky na louce hemžící se tímto hmyzem.
„Abychom odstranili nejasnosti, spoléháme na světelnou informaci, kterou získáme okamžitě, jakmile k interakci dojde,“ řekl Karagiorgi. Kombinace světelné a nábojové signatury by vědcům umožnila rozlišit, kdy a kde dochází k jednotlivým interakcím neutrin.
Poté by vědci rekonstruovali, jak se typy neboli příchutě a energie přicházejících neutrin mění v čase. Výsledný vzorec by pak mohli porovnat s teoretickými modely dynamiky supernov. A to by mohlo vrhnout světlo na dosud neznámé hmotnosti neutrin nebo odhalit nové způsoby, jakými na sebe neutrina vzájemně působí.
Astronomy, kteří doufají, že se Betelgeuse stane supernovou, samozřejmě zajímá také světlo generované explozí hvězdy. Po dokončení se DUNE připojí k systému včasného varování před supernovami (Supernova Early Warning System, SNEWS), což je síť detektorů neutrin po celém světě, která je navržena tak, aby automaticky vyslala varování, když v naší galaxii vznikne supernova. Protože neutrina procházejí supernovou bez překážek, zatímco částice světla jsou neustále pohlcovány a znovu vyzařovány, dokud nedosáhnou povrchu, dorazí výbuch neutrin na Zemi o několik hodin dříve než světlo – proto to včasné varování.
SNEWS ještě nikdy nevyslal žádné varování. Přestože jsou každoročně pozorovány stovky supernov, k poslední supernově, která se nacházela dostatečně blízko Země, aby mohla být detekována její neutrina, došlo v roce 1987, tedy více než deset let před spuštěním systému SNEWS. Na základě dalších pozorování astronomové očekávají, že supernova se v naší galaxii objeví v průměru několikrát za století.
„Pokud spustíme DUNE na několik desetiletí, máme docela dobrou šanci, že nějakou uvidíme, a mohli bychom z toho vytěžit spoustu vědeckých poznatků,“ řekl Alec Habig, fyzik z Minnesotské univerzity v Duluthu, který koordinuje SNEWS a podílí se na získávání dat na DUNE. „Takže se ujistěme, že to dokážeme.“
Vzhledem k obrovskému poloměru červeného veleobra Habig řekl, že DUNE by mohl detekovat neutrina z Betelgeuze až 12 hodin předtím, než světlo z exploze dorazí na Zemi, což dává astronomům dostatek času na to, aby zaměřili své dalekohledy na rameno Orionu.
Pokračující pozorování Betelgeuze naznačují, že její nedávné ztemnění bylo známkou její přirozené proměnlivosti, nikoli blížící se supernovy. Současné odhady dávají hvězdě až 100 000 let života.
Ale pokud budou mít vědci štěstí, „výbuch u Betelgeuze by byl úžasnou příležitostí,“ řekl McDermott, „a DUNE by byl pro tuto práci neuvěřitelným strojem.“
Přečtěte si více o DUNE.
Astrofyzikální výzkum v laboratoři Fermilab a experiment Deep Underground Neutrino Experiment jsou podporovány Úřadem pro vědu Ministerstva energetiky USA.
Fermilab je podporován Úřadem pro vědu Ministerstva energetiky USA. Úřad pro vědu je největším podporovatelem základního výzkumu v oblasti fyzikálních věd ve Spojených státech a snaží se řešit některé z nejnaléhavějších problémů naší doby. Další informace naleznete na adrese science.energy.gov.
.