Alla fine del 2019, Betelgeuse, la stella che forma la spalla sinistra della costellazione di Orione, ha iniziato a oscurarsi sensibilmente, spingendo a speculare su un’imminente supernova. Se esplodesse, questo vicino cosmico a soli 700 anni luce dalla Terra sarebbe visibile di giorno per settimane. Eppure il 99% dell’energia dell’esplosione non sarebbe trasportata dalla luce, ma dai neutrini, particelle fantasma che raramente interagiscono con altra materia.

Se Betelgeuse diventasse presto una supernova, rilevare i neutrini emessi “aumenterebbe notevolmente la nostra comprensione di ciò che accade nel profondo del nucleo di una supernova”, ha detto il teorico del Fermilab Sam McDermott. E presenterebbe un’opportunità unica per indagare le proprietà dei neutrini stessi. Il Deep Underground Neutrino Experiment, ospitato dal Fermilab e pianificato per entrare in funzione alla fine del 2020, è stato sviluppato con questi obiettivi in mente.

Solo una volta prima gli scienziati hanno rilevato i neutrini emessi da una supernova: Durante la SN 1987A (stella luminosa al centro), i rivelatori hanno individuato solo circa due dozzine di interazioni di neutrini. La stella che esplodeva si trovava nella Grande Nube di Magellano, 240 volte più distante dalla Terra di Betelguese. Foto: ESO

Il rivelatore lontano di DUNE – un enorme serbatoio di argon liquido al Sanford Underground Research Facility nel Sud Dakota – raccoglierà i segnali lasciati dai neutrini trasmessi dal Fermilab e quelli che arrivano dallo spazio. Poiché una supernova emette neutrini uniformemente in tutte le direzioni, il numero di neutrini che DUNE potrebbe rilevare diminuisce con il quadrato della distanza tra la supernova e la Terra. Cioè, il numero di neutrini che potrebbe essere individuato a 10.000 anni luce di distanza da una supernova è 100 volte inferiore al numero che potrebbe essere rilevato da una supernova altrettanto potente a 1.000 anni luce di distanza.

Per questo motivo, se una supernova si verifica al centro della nostra galassia, a decine di migliaia di anni luce di distanza, DUNE probabilmente rileverà poche migliaia di neutrini. A causa della relativa vicinanza di Betelgeuse, tuttavia, gli scienziati si aspettano che DUNE rilevi circa un milione di neutrini se la supergigante rossa esplode nei prossimi decenni, offrendo una bonanza di dati.

Anche se la luce della supernova di Betelgeuse rimarrebbe per settimane, l’esplosione di neutrini durerebbe solo minuti.

“Immaginate di essere nella foresta, e c’è un prato e ci sono le lucciole, ed è il momento della notte in cui ne escono migliaia”, ha detto Georgia Karagiorgi, un fisico della Columbia University che guida il team di selezione dei dati al DUNE. “Se potessimo vedere le interazioni dei neutrini con i nostri occhi, questo è un po’ quello che sembrerebbe nel rivelatore DUNE.”

Il rivelatore non fotograferà direttamente i neutrini in arrivo. Piuttosto, seguirà i percorsi delle particelle cariche generate quando i neutrini interagiscono con gli atomi di argon. Nella maggior parte degli esperimenti, le interazioni dei neutrini saranno abbastanza rare da evitare confusione su quale neutrino ha causato quale interazione e in quale momento. Ma durante la supernova di Betelgeuse, così tanti neutrini che arrivano così rapidamente potrebbero presentare una sfida nell’analisi dei dati – simile a rintracciare una singola lucciola in un prato brulicante di insetti.

“Per rimuovere le ambiguità, ci affidiamo alle informazioni luminose che otteniamo prontamente non appena avviene l’interazione”, ha detto Karagiorgi. Combinando la firma luminosa e la firma di carica, i ricercatori potrebbero distinguere quando e dove avviene ogni interazione di neutrini.

Da lì, i ricercatori potrebbero ricostruire come i tipi, o sapori, e le energie dei neutrini in arrivo variano nel tempo. Il modello risultante potrebbe poi essere confrontato con i modelli teorici della dinamica delle supernovae. E potrebbe far luce sulle masse ancora sconosciute dei neutrini o rivelare nuovi modi in cui i neutrini interagiscono tra loro.

Naturalmente, gli astronomi che sperano che Betelgeuse diventi una supernova sono anche interessati alla luce generata dall’esplosione della stella. Una volta completato, DUNE si unirà al Supernova Early Warning System, o SNEWS, una rete di rivelatori di neutrini in tutto il mondo progettato per inviare automaticamente un allarme quando una supernova è in corso nella nostra galassia. Poiché i neutrini passano attraverso una supernova senza ostacoli, mentre le particelle di luce vengono continuamente assorbite e riemesse fino a raggiungere la superficie, l’esplosione di neutrini arriva sulla Terra ore prima della luce – da qui l’allarme preventivo.

SNEWS non ha mai inviato un allarme. Anche se centinaia di supernovae vengono osservate ogni anno, la più recente abbastanza vicina alla Terra per rilevare i suoi neutrini si è verificata nel 1987, più di un decennio prima che SNEWS fosse online. Sulla base di altre osservazioni, gli astronomi si aspettano che una supernova si verifichi nella nostra galassia diverse volte al secolo in media.

“Se facciamo funzionare DUNE qualche decennio, abbiamo buone probabilità di vederne una, e potremmo estrarre molta scienza da essa”, ha detto Alec Habig, un fisico dell’Università del Minnesota, Duluth, che coordina SNEWS ed è coinvolto nell’acquisizione dei dati su DUNE. “

Dato l’enorme raggio della supergigante rossa, Habig ha detto che DUNE rileverebbe i neutrini da Betelgeuse fino a 12 ore prima che la luce dell’esplosione raggiunga la Terra, dando agli astronomi tutto il tempo per puntare i loro telescopi sulla spalla di Orione.

Le continue osservazioni di Betelgeuse suggeriscono che il suo recente oscuramento era un segno della sua naturale variabilità, non un’imminente supernova. Le stime attuali danno alla stella fino a 100.000 anni di vita.

Ma se gli scienziati sono fortunati, “un’esplosione a Betelgeuse sarebbe un’opportunità incredibile”, ha detto McDermott, “e DUNE sarebbe una macchina incredibile per il lavoro.”

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La ricerca astrofisica del Fermilab e il Deep Underground Neutrino Experiment sono supportati dal Department of Energy Office of Science.

Il Fermilab è supportato dall’Office of Science del U.S. Department of Energy. L’Office of Science è il più grande sostenitore della ricerca di base nelle scienze fisiche negli Stati Uniti e sta lavorando per affrontare alcune delle sfide più pressanti del nostro tempo. Per ulteriori informazioni, visitare science.energy.gov.

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