Ende 2019 begann Betelgeuse, der Stern, der die linke Schulter des Sternbilds Orion bildet, merklich zu verdunkeln, was zu Spekulationen über eine bevorstehende Supernova führte. Wenn er explodieren würde, wäre dieser kosmische Nachbar, der nur 700 Lichtjahre von der Erde entfernt ist, wochenlang tagsüber sichtbar. Doch 99 % der Energie der Explosion würde nicht durch Licht, sondern durch Neutrinos übertragen, geisterhafte Teilchen, die nur selten mit anderer Materie in Wechselwirkung treten.

Wenn Betelgeuse tatsächlich bald zur Supernova wird, würde der Nachweis der emittierten Neutrinos „unser Verständnis dessen, was tief im Inneren einer Supernova vor sich geht, dramatisch verbessern“, so Fermilab-Theoretiker Sam McDermott. Und es würde eine einzigartige Gelegenheit bieten, die Eigenschaften der Neutrinos selbst zu untersuchen. Das Deep Underground Neutrino Experiment, das bei Fermilab angesiedelt ist und in den späten 2020er Jahren in Betrieb genommen werden soll, wird mit diesen Zielen im Hinterkopf entwickelt.

Nur einmal zuvor haben Wissenschaftler die von einer Supernova ausgestoßenen Neutrinos nachgewiesen: Bei SN 1987A (heller Stern in der Mitte) entdeckten Detektoren nur etwa zwei Dutzend Neutrino-Wechselwirkungen. Der explodierende Stern befand sich in der Großen Magellanschen Wolke, die 240 Mal weiter von der Erde entfernt ist als Betelguese. Bild: ESO

DUNEs Ferndetektor – ein riesiger Tank mit flüssigem Argon in der Sanford Underground Research Facility in South Dakota – wird sowohl Signale von Neutrinos auffangen, die von Fermilab ausgestrahlt werden, als auch solche, die aus dem Weltraum kommen. Da eine Supernova Neutrinos gleichmäßig in alle Richtungen aussendet, nimmt die Zahl der Neutrinos, die DUNE aufspüren könnte, mit dem Quadrat der Entfernung zwischen der Supernova und der Erde ab. Das heißt, die Zahl der Neutrinos, die in 10.000 Lichtjahren Entfernung von einer Supernova entdeckt werden könnten, ist 100-mal kleiner als die Zahl, die von einer gleich starken Supernova in 1.000 Lichtjahren Entfernung entdeckt werden könnte.

Aus diesem Grund wird DUNE bei einer Supernova, die sich in der Mitte unserer Galaxie in Zehntausenden von Lichtjahren Entfernung ereignet, wahrscheinlich ein paar tausend Neutrinos entdecken. Aufgrund der relativen Nähe von Betelgeuse erwarten die Wissenschaftler jedoch, dass DUNE rund eine Million Neutrinos aufspüren wird, wenn der rote Überriese in den kommenden Jahrzehnten explodiert, was eine wahre Datenflut bedeuten würde.

Obwohl das Licht der Betelgeuse-Supernova wochenlang anhalten würde, würde der Neutrinostoß nur Minuten dauern.

„Stellen Sie sich vor, Sie sind im Wald und es gibt eine Wiese und Glühwürmchen, und es ist die Zeit der Nacht, in der Tausende von ihnen herauskommen“, sagte Georgia Karagiorgi, eine Physikerin an der Columbia University, die das Datenauswahlteam bei DUNE leitet. „Wenn wir Neutrino-Wechselwirkungen mit bloßen Augen sehen könnten, würde der DUNE-Detektor in etwa so aussehen.“

Der Detektor wird eintreffende Neutrinos nicht direkt fotografieren. Vielmehr wird er die Wege der geladenen Teilchen verfolgen, die bei der Wechselwirkung der Neutrinos mit Argonatomen entstehen. Bei den meisten Experimenten sind die Neutrino-Wechselwirkungen so selten, dass es keine Verwirrung darüber gibt, welches Neutrino welche Wechselwirkung zu welchem Zeitpunkt verursacht hat. Aber während der Betelgeuse-Supernova könnten so viele Neutrinos, die so schnell ankommen, eine Herausforderung bei der Datenanalyse darstellen – ähnlich wie die Verfolgung eines einzelnen Glühwürmchens in einer Wiese, in der es von den Insekten wimmelt.

„Um Unklarheiten zu beseitigen, verlassen wir uns auf Lichtinformationen, die wir sofort erhalten, sobald die Wechselwirkung stattfindet“, sagte Karagiorgi. Durch die Kombination der Lichtsignatur und der Ladungssignatur könnten die Forscher unterscheiden, wann und wo jede Neutrino-Wechselwirkung stattfindet.

Daraus würden die Forscher rekonstruieren, wie sich die Arten oder Flavors und Energien der eintreffenden Neutrinos mit der Zeit verändern. Das sich daraus ergebende Muster könnte dann mit theoretischen Modellen über die Dynamik von Supernovae verglichen werden. Und es könnte Licht auf die noch unbekannten Massen von Neutrinos werfen oder neue Wege aufzeigen, wie Neutrinos miteinander wechselwirken.

Natürlich sind Astronomen, die auf eine Supernova von Betelgeuse hoffen, auch an dem Licht interessiert, das von der Sternenexplosion erzeugt wird. Nach seiner Fertigstellung wird sich DUNE dem Supernova-Frühwarnsystem (SNEWS) anschließen, einem Netz von Neutrinodetektoren auf der ganzen Welt, das automatisch einen Alarm auslösen soll, wenn in unserer Galaxie eine Supernova im Gange ist. Da Neutrinos eine Supernova ungehindert durchqueren, während Lichtteilchen ständig absorbiert und wieder emittiert werden, bis sie die Oberfläche erreichen, trifft der Neutrinostoß Stunden vor dem Licht auf der Erde ein – daher die Frühwarnung.

SNEWS hat noch nie einen Alarm gesendet. Obwohl jedes Jahr Hunderte von Supernovae beobachtet werden, ereignete sich die letzte Supernova, die nahe genug an der Erde war, um ihre Neutrinos zu entdecken, im Jahr 1987, mehr als ein Jahrzehnt bevor SNEWS online ging. Aufgrund anderer Beobachtungen gehen Astronomen davon aus, dass in unserer Galaxie im Durchschnitt mehrmals pro Jahrhundert eine Supernova auftritt.

„Wenn wir DUNE ein paar Jahrzehnte laufen lassen, haben wir ziemlich gute Chancen, eine zu sehen, und wir könnten eine Menge Wissenschaft daraus ziehen“, sagte Alec Habig, ein Physiker an der Universität von Minnesota, Duluth, der SNEWS koordiniert und an der Datenerfassung von DUNE beteiligt ist. „

Angesichts des enormen Radius des Roten Überriesen, so Habig, würde DUNE Neutrinos von Betelgeuse bis zu 12 Stunden, bevor das Licht der Explosion die Erde erreicht, aufspüren, so dass die Astronomen genügend Zeit hätten, ihre Teleskope auf die Schulter des Orion zu richten.

Die fortlaufenden Beobachtungen von Betelgeuse deuten darauf hin, dass seine jüngste Verdunkelung ein Zeichen seiner natürlichen Variabilität und nicht einer bevorstehenden Supernova war. Aktuellen Schätzungen zufolge hat der Stern noch bis zu 100.000 Jahre zu leben.

Aber wenn die Wissenschaftler Glück haben, „wäre eine Explosion von Betelgeuse eine fantastische Gelegenheit“, sagte McDermott, „und DUNE wäre eine unglaubliche Maschine für diese Aufgabe.“

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Die astrophysikalische Forschung am Fermilab und das Deep Underground Neutrino Experiment werden vom Office of Science des Energieministeriums unterstützt.

Fermilab wird vom Office of Science des US-Energieministeriums unterstützt. Das Office of Science ist der größte Einzelunterstützer der physikalischen Grundlagenforschung in den Vereinigten Staaten und arbeitet daran, einige der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit zu bewältigen. Weitere Informationen finden Sie unter science.energy.gov.