Vuoden 2019 lopulla Betelgeuse, tähti, joka muodostaa Orionin tähdistön vasemman olkapään, alkoi selvästi himmentyä, mikä herätti spekulaatioita lähestyvästä supernovasta. Jos se räjähtäisi, tämä vain 700 valovuoden päässä Maasta sijaitseva kosminen naapuri näkyisi päiväsaikaan viikkoja. Silti 99 prosenttia räjähdyksen energiasta ei kulkeutuisi valossa vaan neutriinoissa, aavemaisissa hiukkasissa, jotka ovat harvoin vuorovaikutuksessa muun materian kanssa.

Jos Betelgeuse tosiaan lähiaikoina syttyy supernovaksi, emittoitujen neutriinojen havaitseminen ”parantaisi dramaattisesti käsitystämme siitä, mitä tapahtuu syvällä supernovan ytimessä”, sanoo Fermilabin teoreetikko Sam McDermott. Lisäksi se tarjoaisi ainutlaatuisen tilaisuuden tutkia itse neutriinojen ominaisuuksia. Fermilabin isännöimää Deep Underground Neutrino Experiment -koetta, jonka on tarkoitus aloittaa toimintansa 2020-luvun lopulla, kehitetään näitä tavoitteita silmällä pitäen.

Vain kerran aiemmin tutkijat ovat havainneet supernovan lähettämiä neutriinoja: SN 1987A:n (kirkas tähti keskellä) aikana ilmaisimet havaitsivat vain noin kaksi tusinaa neutriinovuorovaikutusta. Räjähdystähti sijaitsi Suuressa Magellanin pilvessä, joka on 240 kertaa kauempana Maasta kuin Betelguese. Kuva: ESO

DUNE:n kauko-ilmaisin – valtava nestemäistä argonia sisältävä säiliö Sanfordin maanalaisessa tutkimuslaitoksessa Etelä-Dakotassa – poimii Fermilabista sädetettyjen neutriinojen jättämiä signaaleja samoin kuin avaruudesta tulleita. Koska supernova lähettää neutriinoja tasaisesti kaikkiin suuntiin, DUNE:n havaitsemien neutriinojen määrä vähenee supernovan ja Maan välisen etäisyyden neliönä. Toisin sanoen niiden neutriinojen määrä, jotka voitaisiin havaita 10 000 valovuoden päässä supernovasta, on sata kertaa pienempi kuin niiden määrä, jotka voitaisiin havaita yhtä voimakkaasta supernovasta 1 000 valovuoden päässä.

Tästä syystä, jos supernova tapahtuu galaksimme keskellä, kymmenien tuhansien valovuosien päässä, DUNE havaitsee todennäköisesti muutaman tuhat neutriinoa. Betelgeusen suhteellisen läheisyyden vuoksi tutkijat kuitenkin odottavat, että DUNE havaitsisi noin miljoona neutriinoa, jos punainen superjättiläinen räjähtää lähivuosikymmeninä, mikä tarjoaisi runsaasti dataa.

Vaikka Betelgeusen supernovan valo viipyisikin viikkoja, neutriinopurkaus kestäisi vain minuutteja.

”Kuvittele, että olet metsässä, ja siellä on niitty ja siellä on tulikärpäsiä, ja nyt on se aika yöstä, jolloin tuhansia tulikärpäsiä ilmestyy esiin”, sanoo Georgia Karagiorgi, Columbia Universityn fyysikko, joka johtaa DUNE:n datanvalintaryhmää. ”Jos voisimme nähdä neutriinovuorovaikutukset paljain silmin, suurin piirtein siltä se näyttäisi DUNE-ilmaisimessa.”

Ilmaisin ei suoraan kuvaa saapuvia neutriinoja. Pikemminkin se seuraa varattujen hiukkasten reittejä, jotka syntyvät, kun neutriinot vuorovaikuttavat argonatomien kanssa. Useimmissa kokeissa neutriinovuorovaikutukset ovat riittävän harvinaisia, jotta vältytään sekaannukselta siitä, mikä neutriino aiheutti minkäkin vuorovaikutuksen ja mihin aikaan. Mutta Betelgeusen supernovan aikana niin monet neutriinot, jotka saapuivat niin nopeasti, saattoivat aiheuttaa haasteita datan analysoinnissa – samaan tapaan kuin jäljittäisi yksittäistä tulikärpästä hyönteisiä kuhisevalla niityllä.

”Epäselvyyksien poistaaksemme luotamme valotietoon, jonka saamme välittömästi heti vuorovaikutuksen tapahtuessa”, Karagiorgi sanoi. Yhdistämällä valo- ja varausjäljen tutkijat voisivat erottaa, milloin ja missä kukin neutriinovuorovaikutus tapahtuu.

Sen perusteella tutkijat voisivat rekonstruoida, miten saapuvien neutriinojen tyypit eli flavorit ja energiat vaihtelivat ajan myötä. Tuloksena saatua mallia voitaisiin sitten verrata supernovien dynamiikkaa koskeviin teoreettisiin malleihin. Ja se voisi valottaa neutriinojen vielä tuntemattomia massoja tai paljastaa uusia tapoja, joilla neutriinot ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa.

Tähtitieteilijät, jotka toivovat Betelgeusen supernovan syntyvän, ovat tietysti kiinnostuneita myös tähden räjähdyksen tuottamasta valosta. Kun DUNE on valmis, se liittyy Supernova Early Warning Systemiin eli SNEWSiin, joka on ympäri maailmaa sijaitsevien neutriinohavaintolaitteiden verkosto, joka on suunniteltu lähettämään automaattisesti hälytys, kun galaksissamme on käynnissä supernova. Koska neutriinot kulkevat supernovan läpi esteettä, kun taas valohiukkaset absorboituvat ja emittoituvat jatkuvasti, kunnes ne saavuttavat pinnan, neutriinopurkaus saapuu Maahan tunteja ennen valoa – siksi varhaisvaroitus.

SNEWS ei ole koskaan lähettänyt varoitusta. Vaikka vuosittain havaitaan satoja supernovia, viimeisin supernova, joka oli niin lähellä Maata, että sen neutriinot havaittiin, tapahtui vuonna 1987, yli kymmenen vuotta ennen SNEWSin käyttöönottoa. Muiden havaintojen perusteella tähtitieteilijät odottavat supernovan tapahtuvan galaksissamme keskimäärin useita kertoja vuosisadassa.

”Jos käytämme DUNEa muutaman vuosikymmenen ajan, meillä on melko hyvät mahdollisuudet nähdä sellainen, ja voisimme saada siitä irti paljon tieteellistä tietoa”, sanoo Alec Habig, Duluthin Minnesotan yliopistossa työskentelevä fyysikko Alec Habig, joka koordinoi SNEWS-järjestelmän toimintaa ja osallistuu DUNE-järjestelmään. ”Varmistetaan siis, että pystymme siihen.”

Punaisen superjättiläisen valtavan säteen vuoksi DUNE havaitsisi Betelgeusesta peräisin olevat neutriinot jopa 12 tuntia ennen kuin räjähdyksen valo saavuttaa Maan, mikä antaisi tähtitieteilijöille runsaasti aikaa suunnata teleskoopit Orionin olkapäähän.

Jatkuvat havainnot Betelgeusesta viittaavat siihen, että Betelgeusen hiljattainen himmeneminen oli merkki sen luonnollisesta vaihtelusta, ei uhkaavasta supernovasta. Nykyisten arvioiden mukaan tähdellä on elinaikaa jopa 100 000 vuotta.

Mutta jos tutkijat ovat onnekkaita, ”räjähdys Betelgeusessa olisi uskomaton tilaisuus”, McDermott sanoi, ”ja DUNE olisi uskomaton kone tähän työhön.”

Lue lisää DUNEsta.

Fermilabin astrofysiikan tutkimusta ja Deep Underground Neutrino Experiment -koetta tukee Yhdysvaltain energiaministeriön tiedevirasto.

Fermilabia tukee Yhdysvaltain energiaministeriön tiedevirasto. Office of Science on suurin yksittäinen fysikaalisten tieteiden perustutkimuksen tukija Yhdysvalloissa, ja se työskentelee aikamme polttavimpiin haasteisiin vastaamiseksi. Lisätietoja on osoitteessa science.energy.gov.

.