I slutningen af 2019 begyndte Betelgeuse, stjernen, der danner den venstre skulder i stjernebilledet Orion, at svækkes markant, hvilket gav anledning til spekulationer om en nært forestående supernova. Hvis den eksploderede, ville denne kosmiske nabo blot 700 lysår fra Jorden være synlig i dagtimerne i ugevis. Alligevel ville 99 % af eksplosionens energi ikke blive transporteret af lys, men af neutrinoer, spøgelsesagtige partikler, der sjældent interagerer med andet stof.
Hvis Betelgeuse snart bliver en supernova, vil det at opdage de udsendte neutrinoer “dramatisk øge vores forståelse af, hvad der foregår dybt inde i kernen af en supernova”, siger Fermilab-teoretiker Sam McDermott. Og det ville give en enestående mulighed for at undersøge neutrinos’ egne egenskaber. Deep Underground Neutrino Experiment, som Fermilab er vært for, og som efter planen skal tages i brug i slutningen af 2020’erne, er ved at blive udviklet med disse mål for øje.
Kun én gang tidligere har forskerne opdaget de neutrinoer, der udsendes af en supernova: Under SN 1987A (den lyse stjerne i midten) opdagede detektorerne kun omkring to dusin neutrino-interaktioner. Den eksploderende stjerne befandt sig i den store Magellansky, 240 gange længere væk fra Jorden end Betelguese. Foto: DUNE’s fjerndetektor – en enorm tank med flydende argon i Sanford Underground Research Facility i South Dakota – vil opfange signaler efterladt af neutrinos, der sendes fra Fermilab, samt dem, der kommer fra rummet. Da en supernova udsender neutrinos jævnt i alle retninger, falder antallet af neutrinos, som DUNE kan registrere, med kvadratet på afstanden mellem supernovaen og Jorden. Det vil sige, at antallet af neutrinoer, der kan spottes 10.000 lysår væk fra en supernova, er 100 gange mindre end det antal, der kan spottes fra en lige så kraftig supernova 1.000 lysår væk.
Det er derfor, at hvis en supernova opstår midt i vores galakse, titusindvis af lysår væk, vil DUNE sandsynligvis kun registrere nogle få tusinde neutrinoer. På grund af Betelgeuses relative nærhed forventer forskerne imidlertid, at DUNE vil registrere omkring en million neutrinoer, hvis den røde superkæmpe eksploderer i de kommende årtier, hvilket vil give en guldgrube af data.
Mens lyset fra Betelgeuse-supernovaen vil blive hængende i ugevis, vil udbruddet af neutrinoer kun vare få minutter.
“Forestil dig, at du er i skoven, og der er en eng, og der er ildfluer, og det er den tid på natten, hvor tusindvis af dem kommer frem,” siger Georgia Karagiorgi, fysiker ved Columbia University, der leder dataudvælgelsesholdet på DUNE. “Hvis vi kunne se neutrino-interaktioner med vores bare øjne, er det lidt det samme, som det ville se ud i DUNE-detektoren.”
Detektoren vil ikke direkte fotografere indkommende neutrinoer. Den vil snarere følge banerne for de ladede partikler, der genereres, når neutrinoerne vekselvirker med argonatomer. I de fleste eksperimenter vil neutrinoernes vekselvirkninger være sjældne nok til at undgå forvirring om, hvilken neutrino der forårsagede hvilken vekselvirkning og på hvilket tidspunkt. Men under Betelgeuse-supernovaen kunne så mange neutrinoer, der ankom så hurtigt, udgøre en udfordring i dataanalysen – svarende til at spore en enkelt ildflue på en eng, der vrimler med insekterne.
“For at fjerne tvetydigheder er vi afhængige af lysinformation, som vi får prompte, så snart vekselvirkningen finder sted,” siger Karagiorgi. Ved at kombinere lyssignaturen og ladningssignaturen ville forskerne kunne skelne mellem, hvornår og hvor hver enkelt neutrinointeraktion finder sted.
Derfra ville forskerne rekonstruere, hvordan typerne, eller smagsvarianter, og energierne af indkommende neutrinoer varierede med tiden. Det resulterende mønster kunne derefter sammenlignes med teoretiske modeller for supernovaers dynamik. Og det kunne kaste lys over de stadig ukendte masser af neutrinoer eller afsløre nye måder, hvorpå neutrinoer interagerer med hinanden.
Selvfølgelig er de astronomer, der håber på, at Betelgeuse bliver en supernova, også interesserede i det lys, der genereres af stjernens eksplosion. Når DUNE er færdig, vil det indgå i Supernova Early Warning System, eller SNEWS, et netværk af neutrino-detektorer rundt om i verden, der er designet til automatisk at sende en advarsel, når en supernova er i gang i vores galakse. Da neutrinoer passerer uhindret gennem en supernova, mens lyspartikler hele tiden absorberes og genudsendes, indtil de når overfladen, når udbruddet af neutrinoer frem til Jorden flere timer før lyset – derfor den tidlige advarsel.
SNEWS har aldrig sendt en advarsel ud. Selv om der hvert år observeres hundredvis af supernovaer, så fandt den seneste supernova tæt nok på Jorden til, at dens neutrinoer blev opdaget, sted i 1987, mere end et årti før SNEWS kom online. Baseret på andre observationer forventer astronomerne, at der i gennemsnit vil opstå en supernova i vores galakse flere gange om århundredet.
“Hvis vi lader DUNE køre et par årtier, har vi ret gode chancer for at se en, og vi kan få en masse videnskabelig viden ud af det,” siger Alec Habig, fysiker ved University of Minnesota, Duluth, som koordinerer SNEWS og er involveret i dataindsamlingen på DUNE. “Så lad os sikre os, at vi kan gøre det.”
Givet den røde superkæmpes enorme radius, sagde Habig, vil DUNE registrere neutrinoer fra Betelgeuse op til 12 timer før lyset fra eksplosionen når Jorden, hvilket giver astronomerne masser af tid til at rette deres teleskoper mod Orions skulder.
Løbende observationer af Betelgeuse tyder på, at dens nylige nedtoning var et tegn på dens naturlige variabilitet og ikke en forestående supernova. De nuværende skøn giver stjernen op til 100.000 år at leve i.
Men hvis forskerne er heldige, “ville en eksplosion i Betelgeuse være en fantastisk mulighed,” sagde McDermott, “og DUNE ville være en utrolig maskine til opgaven.”
Læs mere om DUNE.
Fermilab’s astrofysiske forskning og Deep Underground Neutrino Experiment støttes af Department of Energy Office of Science.
Fermilab støttes af Office of Science under det amerikanske energiministerium. Office of Science er den største enkeltstående støtte til grundforskning inden for de fysiske videnskaber i USA og arbejder på at løse nogle af de mest presserende udfordringer i vores tid. Du kan få flere oplysninger på science.energy.gov.