Fin 2019, Bételgeuse, l’étoile qui forme l’épaule gauche de la constellation d’Orion, a commencé à s’assombrir sensiblement, suscitant des spéculations sur une supernova imminente. Si elle explosait, cette voisine cosmique située à seulement 700 années-lumière de la Terre serait visible en plein jour pendant des semaines. Pourtant, 99% de l’énergie de l’explosion serait transportée non pas par la lumière, mais par des neutrinos, des particules fantômes qui interagissent rarement avec d’autres matières.

Si Bételgeuse devient bientôt une supernova, la détection des neutrinos émis « améliorerait considérablement notre compréhension de ce qui se passe au cœur d’une supernova », a déclaré Sam McDermott, théoricien du Fermilab. Et cela offrirait une occasion unique d’étudier les propriétés des neutrinos eux-mêmes. L’expérience Deep Underground Neutrino Experiment, hébergée par le Fermilab et dont la mise en service est prévue pour la fin des années 2020, est développée avec ces objectifs en tête.

Une seule fois auparavant les scientifiques ont détecté les neutrinos émis par une supernova : Lors de SN 1987A (étoile brillante au centre), les détecteurs n’ont repéré qu’une vingtaine d’interactions de neutrinos. L’étoile qui a explosé se trouvait dans le Grand Nuage de Magellan, 240 fois plus éloigné de la Terre que Betelguese. Photo : ESO

Le détecteur lointain de DUNE – un énorme réservoir d’argon liquide au Sanford Underground Research Facility dans le Dakota du Sud – captera les signaux laissés par les neutrinos téléportés depuis Fermilab ainsi que ceux qui arrivent de l’espace. Étant donné qu’une supernova émet des neutrinos de manière uniforme dans toutes les directions, le nombre de neutrinos que DUNE pourrait détecter diminue en fonction du carré de la distance entre la supernova et la Terre. C’est-à-dire que le nombre de neutrinos qui pourraient être repérés à 10 000 années-lumière d’une supernova est 100 fois plus petit que le nombre qui pourrait être détecté à partir d’une supernova aussi puissante à 1 000 années-lumière.

Pour cette raison, si une supernova se produit au milieu de notre galaxie, à des dizaines de milliers d’années-lumière, DUNE détectera probablement quelques milliers de neutrinos. En raison de la proximité relative de Bételgeuse, cependant, les scientifiques s’attendent à ce que DUNE détecte environ un million de neutrinos si la supergéante rouge explose dans les décennies à venir, offrant ainsi une aubaine de données.

Bien que la lumière de la supernova de Bételgeuse persiste pendant des semaines, l’explosion de neutrinos ne durerait que quelques minutes.

« Imaginez que vous êtes dans la forêt, qu’il y a une prairie et qu’il y a des lucioles, et c’est le moment de la nuit où des milliers d’entre elles sortent », a déclaré Georgia Karagiorgi, une physicienne de l’Université Columbia qui dirige l’équipe de sélection des données à DUNE. « Si nous pouvions voir les interactions des neutrinos à l’œil nu, c’est un peu ce à quoi cela ressemblerait dans le détecteur DUNE. »

Le détecteur ne photographiera pas directement les neutrinos entrants. Il suivra plutôt les trajectoires des particules chargées générées lorsque les neutrinos interagissent avec les atomes d’argon. Dans la plupart des expériences, les interactions de neutrinos seront suffisamment rares pour éviter toute confusion quant à savoir quel neutrino a provoqué quelle interaction et à quel moment. Mais lors de la supernova de Bételgeuse, autant de neutrinos arrivant si rapidement pourraient présenter un défi dans l’analyse des données – semblable à la traque d’une seule luciole dans une prairie grouillante de ces insectes.

« Pour lever les ambiguïtés, nous nous appuyons sur des informations lumineuses que nous obtenons rapidement dès que l’interaction a lieu », a déclaré Karagiorgi. La combinaison de la signature lumineuse et de la signature de charge permettrait aux chercheurs de distinguer quand et où chaque interaction de neutrinos se produit.

À partir de là, les chercheurs reconstitueraient comment les types, ou saveurs, et les énergies des neutrinos entrants varient avec le temps. Le schéma résultant pourrait alors être comparé aux modèles théoriques de la dynamique des supernovae. Et il pourrait faire la lumière sur les masses encore inconnues des neutrinos ou révéler de nouvelles façons dont les neutrinos interagissent entre eux.

Bien sûr, les astronomes qui espèrent que Bételgeuse se transforme en supernova sont également intéressés par la lumière générée par l’explosion de l’étoile. Une fois terminé, DUNE rejoindra le système d’alerte précoce des supernovas, ou SNEWS, un réseau de détecteurs de neutrinos à travers le monde conçu pour envoyer automatiquement une alerte lorsqu’une supernova est en cours dans notre galaxie. Comme les neutrinos traversent une supernova sans être gênés, alors que les particules de lumière sont continuellement absorbées et réémises jusqu’à atteindre la surface, la rafale de neutrinos arrive sur Terre des heures avant la lumière – d’où l’alerte précoce.

SNEWS n’a jamais envoyé d’alerte. Bien que des centaines de supernovae soient observées chaque année, la plus récente suffisamment proche de la Terre pour que ses neutrinos soient détectés s’est produite en 1987, plus de dix ans avant la mise en ligne de SNEWS. Sur la base d’autres observations, les astronomes s’attendent à ce qu’une supernova se produise dans notre galaxie plusieurs fois par siècle en moyenne.

« Si nous faisons tourner DUNE pendant quelques décennies, nous avons d’assez bonnes chances d’en voir une, et nous pourrions en extraire beaucoup de science », a déclaré Alec Habig, physicien à l’Université du Minnesota, Duluth, qui coordonne SNEWS et participe à l’acquisition de données sur DUNE. « Alors assurons-nous que nous pouvons le faire ».

Compte tenu de l’énorme rayon de la supergéante rouge, a déclaré Habig, DUNE détecterait les neutrinos de Bételgeuse jusqu’à 12 heures avant que la lumière de l’explosion n’atteigne la Terre, ce qui donnerait aux astronomes beaucoup de temps pour pointer leurs télescopes sur l’épaule d’Orion.

Les observations continues de Bételgeuse suggèrent que sa récente diminution d’intensité était un signe de sa variabilité naturelle, et non une supernova imminente. Les estimations actuelles donnent à l’étoile jusqu’à 100 000 ans à vivre.

Mais si les scientifiques sont chanceux, « une explosion à Bételgeuse serait une opportunité incroyable », a déclaré McDermott, « et DUNE serait une machine incroyable pour ce travail. »

En savoir plus sur DUNE.

Les recherches astrophysiques du Fermilab et l’expérience Deep Underground Neutrino sont soutenues par l’Office of Science du Département de l’énergie.

Le Fermilab est soutenu par l’Office of Science du Département de l’énergie des États-Unis. L’Office of Science est le plus grand soutien de la recherche fondamentale en sciences physiques aux États-Unis et travaille à relever certains des défis les plus pressants de notre époque. Pour plus d’informations, visitez le site science.energy.gov.

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