No final de 2019, Betelgeuse, a estrela que forma o ombro esquerdo da constelação Orion, começou a escurecer visivelmente, levando à especulação de uma supernova iminente. Se explodisse, este vizinho cósmico a apenas 700 anos-luz da Terra seria visível durante semanas durante o dia. No entanto 99% da energia da explosão seria transportada não pela luz, mas por neutrinos, partículas semelhantes a fantasmas que raramente interagem com outra matéria.

Se a Betelgeuse se tornar uma supernova em breve, detectar os neutrinos emitidos “aumentaria dramaticamente a nossa compreensão do que se passa no interior do núcleo de uma supernova”, disse o teórico do Fermilab Sam McDermott. E isso representaria uma oportunidade única para investigar as propriedades dos próprios neutrinos. A Experiência Deep Underground Neutrino, hospedada pela Fermilab e planejada para começar a operar no final dos anos 2020, está sendo desenvolvida com esses objetivos em mente.

Apenas uma vez os cientistas detectaram os neutrinos emitidos por uma supernova: Durante a SN 1987A (estrela brilhante no centro), os detectores detectaram apenas cerca de duas dúzias de interacções de neutrinos. A estrela em explosão estava na Grande Nuvem de Magalhães, 240 vezes mais distante da Terra do que Betelguese. Foto: ESO

O detector distante da DUNE – um enorme tanque de argônio líquido nas instalações de pesquisa do metrô de Sanford no Dakota do Sul – captará os sinais deixados pelos neutrinos transportados do Fermilab, bem como os que chegam do espaço. Como uma supernova emite neutrinos uniformemente em todas as direcções, o número de neutrinos que a DUNE poderia detectar cai como o quadrado da distância entre a supernova e a Terra. Ou seja, o número de neutrinos que poderia ser detectado a 10.000 anos-luz de uma supernova é 100 vezes menor que o número que poderia ser detectado de uma supernova igualmente poderosa a 1.000 anos-luz de distância.

Por esta razão, se uma supernova ocorrer no meio da nossa galáxia, a dezenas de milhares de anos-luz de distância, DUNE provavelmente detectará alguns milhares de neutrinos. Devido à relativa proximidade de Betelgeuse, porém, os cientistas esperam que a DUNE detecte cerca de um milhão de neutrinos se o supergiente vermelho explodir nas próximas décadas, oferecendo uma bonança de dados.

Embora a luz da supernova de Betelgeuse se prolongue por semanas, a explosão de neutrinos duraria apenas alguns minutos.

“Imagine que você está na floresta, e há um prado e há pirilampos, e é a hora da noite em que milhares deles saem”, disse Georgia Karagiorgi, um físico da Universidade de Columbia que lidera a equipe de seleção de dados da DUNE. “Se pudéssemos ver interações de neutrinos com os nossos olhos nus, isso seria mais ou menos o que pareceria no detector de DUNE”

O detector não fotografará diretamente os neutrinos que chegam. Ao invés disso, ele irá rastrear os caminhos das partículas carregadas geradas quando os neutrinos interagem com átomos de árgon. Na maioria dos experimentos, as interações de neutrinos serão raras o suficiente para evitar confusão sobre qual neutrino causou qual interação e em que momento. Mas durante a supernova Betelgeuse, tantos neutrinos que chegam tão rapidamente podem representar um desafio na análise dos dados – semelhante ao rastreamento de uma única vaga-lume em um prado repleto de insetos.

“Para remover ambigüidades, confiamos em informações leves que recebemos prontamente assim que a interação ocorre”, disse Karagiorgi. A combinação da assinatura de luz e da assinatura de carga permitiria aos pesquisadores distinguir quando e onde cada interação de neutrinos ocorre.

A partir daí, os pesquisadores reconstruiriam como os tipos, ou sabores, e as energias dos neutrinos recebidos variavam com o tempo. O padrão resultante poderia então ser comparado com modelos teóricos da dinâmica das supernovas. E poderia lançar luz sobre as massas ainda desconhecidas de neutrinos ou revelar novas formas de interação entre neutrinos.

De lá, os astrônomos que esperam que Betelgeuse se torne supernova também estão interessados na luz gerada pela explosão estelar. Quando completo, DUNE se juntará ao Sistema de Aviso Antecipado Supernova, ou SNEWS, uma rede de detectores de neutrinos ao redor do mundo projetada para enviar automaticamente um alerta quando uma supernova estiver em progresso em nossa galáxia. Como os neutrinos passam por uma supernova sem obstáculos, enquanto partículas de luz são continuamente absorvidas e reemitidas até chegar à superfície, a explosão de neutrinos chega à Terra horas antes da luz chegar – daí o aviso prévio.

SNEWS nunca enviou um alerta. Embora centenas de supernovas sejam observadas a cada ano, a mais recente perto o suficiente da Terra para que seus neutrinos sejam detectados ocorreu em 1987, mais de uma década antes de SNEWS entrar em funcionamento. Com base em outras observações, os astrônomos esperam que uma supernova ocorra em nossa galáxia várias vezes por século em média.

“Se executarmos DUNE algumas décadas, temos boas chances de ver uma, e poderíamos extrair muita ciência dela”, disse Alec Habig, um físico da Universidade de Minnesota, Duluth, que coordena SNEWS e está envolvido com a aquisição de dados em DUNE. “Então vamos ter certeza que podemos fazê-lo.”

Dado o enorme raio do supergiante vermelho, disse Habig, DUNE detectaria neutrinos de Betelgeuse até 12 horas antes da luz da explosão chegar à Terra, dando aos astrônomos muito tempo para apontar seus telescópios para o ombro de Orion.

Observações contínuas de Betelgeuse sugerem que seu recente escurecimento foi um sinal de sua variabilidade natural, não uma supernova iminente. As estimativas atuais dão à estrela até 100.000 anos de vida.

Mas se os cientistas tiverem sorte, “uma explosão em Betelgeuse seria uma oportunidade incrível”, disse McDermott, “e DUNE seria uma máquina incrível para o trabalho”.

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Astrofísica do Fermilab e a Experiência Deep Underground Neutrino são apoiadas pelo Department of Energy Office of Science.

Fermilab é apoiado pelo Office of Science do Departamento de Energia dos EUA. O Office of Science é o maior apoiador da pesquisa básica em ciências físicas nos Estados Unidos e está trabalhando para enfrentar alguns dos desafios mais urgentes do nosso tempo. Para mais informações, visite science.energy.gov.