2019 végén a Betelgeuse, az Orion csillagkép bal vállát alkotó csillag észrevehetően halványodni kezdett, ami egy közelgő szupernóvára utaló spekulációkat indított el. Ha felrobbanna, ez a Földtől mindössze 700 fényévre lévő kozmikus szomszéd hetekig látható lenne nappal. A robbanás energiájának 99%-át azonban nem a fény, hanem a neutrínók hordoznák, olyan szellemszerű részecskék, amelyek ritkán lépnek kölcsönhatásba más anyagokkal.

Ha a Betelgeuse valóban hamarosan szupernóvává válik, a kibocsátott neutrínók észlelése “drámaian javítaná a szupernóva magjának mélyén zajló folyamatok megértését” – mondta Sam McDermott, a Fermilab teoretikusa. Ez pedig egyedülálló lehetőséget jelentene arra, hogy magukat a neutrínók tulajdonságait vizsgáljuk. A Fermilab által befogadott Deep Underground Neutrino Experiment, amely a tervek szerint a 2020-as évek végén kezdi meg működését, ezeket a célokat szem előtt tartva készül.

Már csak egyszer fordult elő, hogy a tudósok kimutatták egy szupernóva által kibocsátott neutrínókat: Az SN 1987A (fényes csillag középen) során a detektorok csak mintegy két tucat neutrínó kölcsönhatást észleltek. A felrobbanó csillag a Nagy Magellán-felhőben volt, 240-szer messzebb a Földtől, mint a Betelgusz. Fénykép: ESO

A DUNE távoli detektora – egy hatalmas, folyékony argontartály a dél-dakotai Sanford Underground Research Facility-ben – a Fermilabból sugárzott neutrínók, valamint az űrből érkező neutrínók által hátrahagyott jeleket fogja érzékelni. Mivel egy szupernóva minden irányba egyenletesen bocsát ki neutrínókat, a DUNE által észlelhető neutrínók száma a szupernóva és a Föld közötti távolság négyzetével csökken. Vagyis a szupernóvától 10 000 fényévre észlelhető neutrínók száma százszor kisebb, mint az 1000 fényévre lévő, ugyanolyan erős szupernóvától észlelhető neutrínók száma.

Ezért, ha egy szupernóva a galaxisunk közepén, több tízezer fényévre történik, a DUNE valószínűleg néhány ezer neutrínót fog észlelni. A Betelgeuse viszonylagos közelsége miatt azonban a tudósok arra számítanak, hogy a DUNE körülbelül egymillió neutrínót fog észlelni, ha a vörös szuperóriás az elkövetkező évtizedekben felrobban, ami bőséges adathalmazt jelentene.

Bár a Betelgeuse szupernóva fénye hetekig fennmaradna, a neutrínórobbanás csak percekig tartana.

“Képzeljük el, hogy az erdőben vagyunk, és ott van egy rét, és ott vannak a szentjánosbogarak, és ez az az éjszakai időszak, amikor ezrével jönnek elő” – mondta Georgia Karagiorgi, a Columbia Egyetem fizikusa, aki a DUNE adatválogató csoportját vezeti. “Ha puszta szemmel láthatnánk a neutrínó kölcsönhatásokat, valahogy így nézne ki a DUNE detektorban.”

A detektor nem fogja közvetlenül lefényképezni a beérkező neutrínókat. Inkább a neutrínók argon atomokkal való kölcsönhatásakor keletkező töltött részecskék útját fogja követni. A legtöbb kísérletben a neutrínó kölcsönhatások elég ritkák lesznek ahhoz, hogy ne legyen zavaros, hogy melyik neutrínó melyik kölcsönhatást okozta és mikor. De a Betelgeuse szupernóva során a sok, ilyen gyorsan érkező neutrínó kihívást jelenthet az adatelemzésben – hasonlóan ahhoz, mintha egyetlen szentjánosbogarat követnénk egy rovaroktól hemzsegő réten.

“A kétértelműségek kiküszöbölése érdekében fényinformációra támaszkodunk, amelyet azonnal megkapunk, amint a kölcsönhatás megtörténik” – mondta Karagiorgi. A fény- és a töltésszignatúra kombinálása lehetővé tenné a kutatók számára, hogy megkülönböztessék, mikor és hol történik az egyes neutrínó kölcsönhatások.

Ezek alapján a kutatók rekonstruálhatnák, hogyan változnak a beérkező neutrínók típusai, vagy ízek, és energiái az idő függvényében. Az így kapott mintázatot aztán össze lehetne hasonlítani a szupernóvák dinamikájára vonatkozó elméleti modellekkel. És fényt deríthetne a neutrínók még ismeretlen tömegére, vagy felfedhetné a neutrínók egymással való kölcsönhatásának új módjait.

A csillagászokat, akik a Betelgeuse szupernóvában reménykednek, természetesen a csillagrobbanás által keltett fény is érdekli. Ha elkészül, a DUNE csatlakozik a Supernova Korai Figyelmeztető Rendszerhez, vagy SNEWS-hez, a világ minden táján működő neutrínódetektorok hálózatához, amelyet arra terveztek, hogy automatikusan riasztást küldjön, ha galaxisunkban szupernóva van készülőben. Mivel a neutrínók akadálytalanul áthaladnak egy szupernóván, míg a fényrészecskék folyamatosan elnyelődnek és újra kibocsátódnak, amíg el nem érik a felszínt, a neutrínórobbanás órákkal a fény előtt érkezik a Földre – ezért a korai figyelmeztetés.

A SNEWS még soha nem küldött riasztást. Bár évente több száz szupernóvát figyelnek meg, a legutóbbi, amely elég közel volt a Földhöz ahhoz, hogy neutrínóit észlelni lehessen, 1987-ben történt, több mint egy évtizeddel az SNEWS működésbe lépése előtt. Más megfigyelések alapján a csillagászok arra számítanak, hogy galaxisunkban átlagosan évszázadonként többször fordul elő szupernóva.

“Ha a DUNE-t néhány évtizedig futtatjuk, elég jó esélyünk van arra, hogy láthatunk egyet, és sok tudományos eredményt nyerhetünk belőle” – mondta Alec Habig, a duluth-i Minnesotai Egyetem fizikusa, aki a SNEWS koordinátora és részt vesz a DUNE adatgyűjtésében. “Szóval győződjünk meg róla, hogy meg tudjuk csinálni.”

Habig szerint a vörös szuperóriás hatalmas sugarát tekintve a DUNE akár 12 órával azelőtt is észlelhetne neutrínókat a Betelgeuse-ról, hogy a robbanás fénye elérné a Földet, így a csillagászoknak bőven lenne idejük arra, hogy távcsövüket az Orion vállára irányítsák.

A Betelgeuse folyamatos megfigyelései arra utalnak, hogy a legutóbbi elhalványulása a természetes változékonyságának jele volt, nem pedig egy közelgő szupernóva. A jelenlegi becslések szerint a csillagnak legfeljebb 100 000 éve van hátra.

De ha a tudósoknak szerencséjük lesz, “egy robbanás a Betelgeuse-nál csodálatos lehetőség lenne” – mondta McDermott – “és a DUNE egy hihetetlen gép lenne a feladathoz.”

Tudjon meg többet a DUNE-ról.

A Fermilab asztrofizikai kutatásait és a Deep Underground Neutrino Experimentet az Energiaügyi Minisztérium Tudományos Hivatala támogatja.

A Fermilabot az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának Tudományos Hivatala támogatja. A Tudományos Hivatal az Egyesült Államokban a fizikai tudományok alapkutatásának legnagyobb támogatója, és korunk legégetőbb kihívásainak megoldásán dolgozik. További információért látogasson el a science.energy.gov.

oldalra.