Pod koniec 2019 roku Betelgeuse, gwiazda, która tworzy lewe ramię gwiazdozbioru Oriona, zaczęła zauważalnie przygasać, skłaniając do spekulacji na temat zbliżającej się supernowej. Gdyby wybuchła, ten kosmiczny sąsiad oddalony zaledwie 700 lat świetlnych od Ziemi byłby widoczny w ciągu dnia przez wiele tygodni. Jednak 99% energii wybuchu byłoby niesione nie przez światło, ale przez neutrina, cząstki podobne do duchów, które rzadko oddziałują z inną materią.

Jeśli Betelgeuse wkrótce wybuchnie, wykrycie emitowanych neutrin „dramatycznie zwiększyłoby nasze zrozumienie tego, co dzieje się głęboko w jądrze supernowej”, powiedział teoretyk Fermilabu Sam McDermott. Byłaby to również wyjątkowa okazja do zbadania właściwości samych neutrin. Eksperyment Deep Underground Neutrino Experiment, prowadzony przez Fermilab i planowany do uruchomienia pod koniec 2020 roku, jest tworzony właśnie w tym celu.

Tylko raz wcześniej naukowcy wykryli neutrina emitowane przez supernową: Podczas SN 1987A (jasna gwiazda w centrum), detektory zauważyły tylko około dwóch tuzinów oddziaływań neutrin. Eksplodująca gwiazda znajdowała się w Wielkim Obłoku Magellana, 240 razy bardziej odległym od Ziemi niż Betelguese. Fot: ESO

Daleki detektor DUNE – ogromny zbiornik ciekłego argonu w Sanford Underground Research Facility w Południowej Dakocie – odbierze sygnały pozostawione przez neutrina wysłane z Fermilabu, jak również te przybywające z kosmosu. Ponieważ supernowa emituje neutrina równomiernie we wszystkich kierunkach, liczba neutrin, które DUNE mógłby wykryć spada jako kwadrat odległości między supernową a Ziemią. Oznacza to, że liczba neutrin, które mogłyby zostać wykryte w odległości 10 000 lat świetlnych od supernowej jest 100 razy mniejsza niż liczba neutrin, które mogłyby zostać wykryte przez równie potężną supernową oddaloną o 1 000 lat świetlnych.

Z tego powodu, jeśli supernowa wystąpi w środku naszej galaktyki, dziesiątki tysięcy lat świetlnych od nas, DUNE prawdopodobnie wykryje kilka tysięcy neutrin. Jednak z powodu względnej bliskości Betelgezy, naukowcy spodziewają się, że DUNE wykryje około miliona neutrin, jeśli czerwony supergigant wybuchnie w nadchodzących dekadach, oferując bonanzę danych.

Choć światło z supernowej Betelgezy utrzymywałoby się przez tygodnie, wybuch neutrin trwałby tylko minuty.

„Wyobraź sobie, że jesteś w lesie, a tam jest łąka i są tam ogniki, i to jest ta pora nocy, kiedy tysiące z nich wychodzi”, powiedziała Georgia Karagiorgi, fizyk z Uniwersytetu Columbia, która prowadzi zespół selekcji danych w DUNE. „Gdybyśmy mogli zobaczyć interakcje neutrin gołymi oczami, tak właśnie wyglądałoby to w detektorze DUNE.”

Detektor nie będzie bezpośrednio fotografował przychodzących neutrin. Będzie raczej śledził ścieżki naładowanych cząstek, które powstają, gdy neutrina oddziałują z atomami argonu. W większości eksperymentów, interakcje neutrin będą na tyle rzadkie, że nie będzie można się pomylić co do tego, które neutrino spowodowało daną interakcję i w jakim czasie. Ale podczas supernowej Betelgezy, tak wiele neutrin przybywających tak szybko może stanowić wyzwanie w analizie danych – podobne do śledzenia pojedynczego ognika na łące pełnej owadów.

„Aby usunąć niejednoznaczności, polegamy na informacjach świetlnych, które otrzymujemy natychmiast, gdy tylko interakcja ma miejsce,” powiedział Karagiorgi. Połączenie sygnatury świetlnej z sygnaturą ładunku pozwoliłoby badaczom odróżnić kiedy i gdzie zachodzi każda interakcja neutrin.

Z tego miejsca badacze zrekonstruowaliby jak rodzaje, lub smaki, i energie przychodzących neutrin zmieniały się w czasie. Uzyskany w ten sposób wzór mógłby zostać porównany z teoretycznymi modelami dynamiki supernowych. Mogłoby to rzucić światło na wciąż nieznane masy neutrin lub ujawnić nowe sposoby, w jakie neutrina oddziałują ze sobą.

Oczywiście, astronomowie, którzy mają nadzieję, że Betelgeuse przejdzie supernową, są również zainteresowani światłem generowanym przez eksplozję gwiazdy. Po ukończeniu DUNE dołączy do Supernova Early Warning System (SNEWS), sieci detektorów neutrin na całym świecie, zaprojektowanych w celu automatycznego wysyłania alarmu, gdy supernowa w naszej galaktyce jest w toku. Ponieważ neutrina przechodzą przez supernową bez przeszkód, podczas gdy cząstki światła są nieustannie pochłaniane i reemitowane aż do osiągnięcia powierzchni, wybuch neutrin dociera na Ziemię na wiele godzin przed światłem – stąd wczesne ostrzeżenie.

SNEWS nigdy nie wysłał alarmu. Chociaż każdego roku obserwowane są setki supernowych, ostatnia na tyle bliska Ziemi, że jej neutrina zostały wykryte, miała miejsce w 1987 roku, ponad dekadę przed uruchomieniem SNEWS. Bazując na innych obserwacjach, astronomowie spodziewają się, że supernowa może pojawić się w naszej galaktyce średnio kilka razy na sto lat.

„Jeśli uruchomimy DUNE na kilka dekad, mamy całkiem spore szanse na zobaczenie jednej i możemy wyciągnąć z tego wiele nauki,” powiedział Alec Habig, fizyk z University of Minnesota w Duluth, który koordynuje SNEWS i jest zaangażowany w zbieranie danych na DUNE. „Więc upewnijmy się, że możemy to zrobić.”

Zważywszy na ogromny promień czerwonego supergiganta, Habig powiedział, że DUNE wykryje neutrina z Betelgezy do 12 godzin zanim światło z eksplozji dotrze do Ziemi, dając astronomom mnóstwo czasu na skierowanie swoich teleskopów na ramię Oriona.

Ciągłe obserwacje Betelgezy sugerują, że jej ostatnie ściemnienie było oznaką jej naturalnej zmienności, a nie zbliżającej się supernowej. Obecne szacunki dają tej gwieździe do 100 000 lat życia.

Ale jeśli naukowcom się poszczęści, „wybuch Betelgezy byłby niesamowitą okazją”, powiedział McDermott, „a DUNE byłby niesamowitą maszyną do tego zadania.”

Dowiedz się więcej o DUNE.

Badania astrofizyczne w Fermilabie oraz eksperyment Deep Underground Neutrino Experiment są wspierane przez Biuro Nauki Departamentu Energii.

Fermilab jest wspierany przez Biuro Nauki Departamentu Energii USA. Office of Science jest największym pojedynczym podmiotem wspierającym badania podstawowe w dziedzinie nauk fizycznych w Stanach Zjednoczonych i pracuje nad rozwiązaniem niektórych z najbardziej palących problemów naszych czasów. Aby uzyskać więcej informacji, odwiedź stronę science.energy.gov.

.