In het najaar van 2019 begon Betelgeuse, de ster die de linkerschouder van het sterrenbeeld Orion vormt, merkbaar te dimmen, wat speculaties over een op handen zijnde supernova aanwakkerde. Als hij explodeert, zou deze kosmische buurman op slechts 700 lichtjaar van de aarde wekenlang overdag zichtbaar zijn. Maar 99% van de energie van de explosie zou niet door licht worden gedragen, maar door neutrino’s, spookachtige deeltjes die zelden met andere materie interageren.

Als Betelgeuse binnenkort een supernova wordt, zou het detecteren van de uitgezonden neutrino’s “ons begrip van wat er diep in de kern van een supernova gebeurt dramatisch verbeteren,” zei Fermilab-theoreticus Sam McDermott. En het zou een unieke kans bieden om de eigenschappen van neutrino’s zelf te onderzoeken. Het Deep Underground Neutrino Experiment, dat ondergebracht is bij Fermilab en eind 2020 operationeel moet zijn, wordt ontwikkeld met deze doelen voor ogen.

Slechts één keer eerder hebben wetenschappers de neutrino’s gedetecteerd die door een supernova worden uitgezonden: Tijdens SN 1987A (heldere ster in het midden) hebben detectoren slechts ongeveer twee dozijn neutrino-interacties waargenomen. De exploderende ster bevond zich in de Grote Magelhaense Wolk, 240 keer verder weg van de aarde dan Betelguese. Foto: ESO

De verre detector van DUNE – een enorme tank met vloeibaar argon in de Sanford Underground Research Facility in South Dakota – zal signalen opvangen van neutrino’s die vanuit Fermilab worden gestraald, evenals die uit de ruimte komen. Aangezien een supernova neutrino’s in alle richtingen gelijkmatig uitzendt, neemt het aantal neutrino’s dat DUNE kan detecteren af met het kwadraat van de afstand tussen de supernova en de aarde. Dat wil zeggen, het aantal neutrino’s dat op 10.000 lichtjaar afstand van een supernova kan worden waargenomen, is 100 keer kleiner dan het aantal dat kan worden waargenomen bij een even krachtige supernova op 1.000 lichtjaar afstand.

Om deze reden zal DUNE, als er een supernova plaatsvindt in het midden van ons melkwegstelsel, op tienduizenden lichtjaren afstand, waarschijnlijk een paar duizend neutrino’s waarnemen. Vanwege de relatieve nabijheid van Betelgeuse verwachten wetenschappers echter dat DUNE ongeveer een miljoen neutrino’s zal detecteren als de rode superreus de komende decennia explodeert, wat een bonanza aan gegevens oplevert.

Hoewel het licht van de Betelgeuse-supernova wekenlang zou blijven hangen, zou de uitbarsting van neutrino’s slechts enkele minuten duren.

“Stel je voor dat je in het bos bent, en er is een weide en er zijn vuurvliegjes, en het is de tijd van de nacht waarin duizenden van hen tevoorschijn komen,” zei Georgia Karagiorgi, een natuurkundige aan de Columbia University die het dataselectieteam op DUNE leidt. “Als we neutrino-interacties met onze blote ogen zouden kunnen zien, zou dat er ongeveer zo uitzien in de DUNE-detector. De detector zal inkomende neutrino’s niet rechtstreeks fotograferen. In plaats daarvan zal hij de paden volgen van geladen deeltjes die ontstaan wanneer de neutrino’s in wisselwerking treden met argon-atomen. In de meeste experimenten zullen neutrino-interacties zeldzaam genoeg zijn om verwarring te voorkomen over welke neutrino welke interactie veroorzaakte en op welk moment. Maar tijdens de Betelgeuse supernova zouden zoveel neutrino’s die zo snel arriveren een uitdaging kunnen vormen bij de gegevensanalyse – vergelijkbaar met het opsporen van een enkele vuurvlieg in een weiland dat wemelt van de insecten.

“Om dubbelzinnigheden weg te nemen, vertrouwen we op lichtinformatie die we onmiddellijk krijgen zodra de interactie plaatsvindt,” zei Karagiorgi. Door het combineren van de lichtsignatuur en de ladingsignatuur zouden onderzoekers kunnen onderscheiden wanneer en waar elke neutrino-interactie plaatsvindt.

Van daaruit zouden de onderzoekers kunnen reconstrueren hoe de soorten, of smaken, en energieën van binnenkomende neutrino’s varieerden met de tijd. Het resulterende patroon kan dan worden vergeleken met theoretische modellen van de dynamica van supernovae. En het zou licht kunnen werpen op de nog onbekende massa’s van neutrino’s of nieuwe manieren onthullen waarop neutrino’s met elkaar interageren.

Astronomen die hopen dat Betelgeuse supernova wordt, zijn natuurlijk ook geïnteresseerd in het licht dat door de sterexplosie wordt gegenereerd. Wanneer DUNE klaar is, zal het deel uitmaken van het Supernova Early Warning System, of SNEWS, een netwerk van neutrino-detectoren over de hele wereld dat is ontworpen om automatisch een waarschuwing te sturen wanneer er een supernova aan de gang is in ons melkwegstelsel. Aangezien neutrino’s ongehinderd door een supernova gaan, terwijl lichtdeeltjes voortdurend worden geabsorbeerd en opnieuw worden uitgezonden totdat ze het oppervlak bereiken, komt de uitbarsting van neutrino’s uren eerder op aarde aan dan het licht – vandaar de vroegtijdige waarschuwing.

SNEWS heeft nog nooit een waarschuwing verzonden. Hoewel elk jaar honderden supernovae worden waargenomen, vond de meest recente die dicht genoeg bij de aarde was om neutrino’s te detecteren, plaats in 1987, meer dan tien jaar voordat SNEWS online kwam. Gebaseerd op andere waarnemingen, verwachten astronomen dat een supernova gemiddeld enkele keren per eeuw in ons melkwegstelsel zal voorkomen.

“Als we DUNE een paar decennia laten draaien, hebben we vrij goede kansen om er een te zien, en we zouden er veel wetenschap uit kunnen halen,” zei Alec Habig, een natuurkundige aan de Universiteit van Minnesota, Duluth, die SNEWS coördineert en betrokken is bij de gegevensverzameling op DUNE. “Dus laten we ervoor zorgen dat we het kunnen doen.”

Gezien de enorme straal van de rode superreus, zei Habig, zou DUNE neutrino’s van Betelgeuse detecteren tot 12 uur voordat het licht van de explosie de aarde bereikt, waardoor astronomen genoeg tijd hebben om hun telescopen op de schouder van Orion te richten.

Voortdurende observaties van Betelgeuse suggereren dat zijn recente dimmen een teken was van zijn natuurlijke variabiliteit, niet een op handen zijnde supernova. Huidige schattingen geven de ster tot 100.000 jaar te leven.

Maar als wetenschappers geluk hebben, “een explosie bij Betelgeuse zou een geweldige kans zijn,” zei McDermott, “en DUNE zou een ongelooflijke machine voor de baan zijn.”

Lees meer over DUNE.

Fermilab astrofysisch onderzoek en het Deep Underground Neutrino Experiment worden gesteund door het Department of Energy Office of Science.

Fermilab wordt gesteund door het Office of Science van het Amerikaanse Department of Energy. Het Office of Science is de grootste supporter van fundamenteel onderzoek in de natuurwetenschappen in de Verenigde Staten en werkt aan een aantal van de meest urgente uitdagingen van onze tijd. Voor meer informatie, zie science.energy.gov.