La sfârșitul anului 2019, Betelgeuse, steaua care formează umărul stâng al constelației Orion, a început să se întunece vizibil, ceea ce a dus la speculații privind o supernovă iminentă. Dacă ar fi explodat, acest vecin cosmic aflat la doar 700 de ani-lumină de Pământ ar fi fost vizibil în timpul zilei timp de câteva săptămâni. Cu toate acestea, 99% din energia exploziei ar fi transportată nu de lumină, ci de neutrini, particule asemănătoare unor fantome care interacționează rareori cu altă materie.

Dacă Betelgeuse va deveni în curând o supernovă, detectarea neutrinilor emiși ar „spori în mod dramatic înțelegerea noastră a ceea ce se întâmplă în adâncul nucleului unei supernove”, a declarat teoreticianul Sam McDermott de la Fermilab. Și ar reprezenta o oportunitate unică de a investiga proprietățile neutrinilor în sine. Experimentul Deep Underground Neutrino Experiment, găzduit de Fermilab și planificat să înceapă să funcționeze la sfârșitul anilor 2020, este dezvoltat având în vedere aceste obiective.

Doar o singură dată până acum oamenii de știință au detectat neutrinii emiși de o supernovă: În timpul SN 1987A (steaua strălucitoare din centru), detectoarele au reperat doar aproximativ două duzini de interacțiuni cu neutrini. Steaua care a explodat se afla în Marele Nor al lui Magellan, de 240 de ori mai departe de Pământ decât Betelguța. Foto: ESO

Detectorul îndepărtat al lui DUNE – un rezervor enorm de argon lichid la Sanford Underground Research Facility din Dakota de Sud – va capta semnalele lăsate de neutrinii trimiși de Fermilab, precum și pe cele sosite din spațiu. Deoarece o supernovă emite neutrini în mod egal în toate direcțiile, numărul de neutrini pe care DUNE i-ar putea detecta scade odată cu pătratul distanței dintre supernovă și Pământ. Adică, numărul de neutrini care ar putea fi detectați la 10.000 de ani-lumină distanță de o supernovă este de 100 de ori mai mic decât numărul care ar putea fi detectat de la o supernovă la fel de puternică aflată la 1.000 de ani-lumină distanță.

Din acest motiv, dacă o supernovă se produce în mijlocul galaxiei noastre, la zeci de mii de ani-lumină distanță, DUNE va detecta probabil câteva mii de neutrini. Cu toate acestea, datorită apropierii relative a lui Betelgeuse, oamenii de știință se așteaptă ca DUNE să detecteze în jur de un milion de neutrini dacă supergiganta roșie va exploda în următoarele decenii, oferind o abundență de date.

Deși lumina supernovei Betelgeuse va persista timp de săptămâni, explozia de neutrini va dura doar câteva minute.

„Imaginați-vă că sunteți în pădure, că există o pajiște și că există licurici și că este momentul din noapte în care ies mii dintre ei”, a declarat Georgia Karagiorgi, fizician la Universitatea Columbia, care conduce echipa de selecție a datelor la DUNE. „Dacă am putea vedea interacțiunile neutrinilor cu ochiul liber, cam așa ar arăta în detectorul DUNE.”

Detectorul nu va fotografia direct neutrinii care sosesc. Mai degrabă, va urmări traseele particulelor încărcate generate atunci când neutrinii interacționează cu atomii de argon. În majoritatea experimentelor, interacțiunile cu neutrini vor fi suficient de rare pentru a evita confuzia cu privire la ce neutrino a cauzat ce interacțiune și la ce moment. Dar, în timpul supernovei Betelgeuse, atât de mulți neutrini care sosesc atât de repede ar putea reprezenta o provocare în analiza datelor – similar cu urmărirea unui singur licurici pe o pajiște plină de insecte.

„Pentru a elimina ambiguitățile, ne bazăm pe informațiile luminoase pe care le obținem prompt imediat ce are loc interacțiunea”, a spus Karagiorgi. Combinarea semnăturii luminoase și a semnăturii de sarcină le-ar permite cercetătorilor să distingă când și unde are loc fiecare interacțiune cu neutrino.

De aici, cercetătorii ar putea reconstitui modul în care tipurile, sau aromele, și energiile neutrinilor care sosesc variază în timp. Modelul rezultat ar putea fi apoi comparat cu modelele teoretice ale dinamicii supernovelor. Și ar putea face lumină asupra maselor încă necunoscute ale neutrinilor sau ar putea dezvălui noi moduri în care neutrinii interacționează între ei.

Desigur, astronomii care speră ca Betelgeuse să devină o supernovă sunt, de asemenea, interesați de lumina generată de explozia stelei. Când va fi finalizat, DUNE se va alătura Supernova Early Warning System, sau SNEWS, o rețea de detectoare de neutrini din întreaga lume, concepută pentru a trimite automat o alertă atunci când o supernovă este în curs de desfășurare în galaxia noastră. Deoarece neutrinii trec nestingheriți printr-o supernovă, în timp ce particulele de lumină sunt continuu absorbite și reemise până când ajung la suprafață, explozia de neutrini ajunge pe Pământ cu câteva ore înaintea luminii – de aici și avertizarea timpurie.

SNEWS nu a trimis niciodată o alertă. Deși sute de supernove sunt observate în fiecare an, cea mai recentă, suficient de aproape de Pământ pentru ca neutrinii săi să fie detectați, a avut loc în 1987, cu mai mult de un deceniu înainte ca SNEWS să fie activat. Pe baza altor observații, astronomii se așteaptă ca o supernovă să apară în galaxia noastră de câteva ori pe secol, în medie.

„Dacă rulăm DUNE câteva decenii, avem șanse destul de mari să vedem una și am putea extrage o mulțime de date științifice din ea”, a declarat Alec Habig, fizician la Universitatea din Minnesota, Duluth, care coordonează SNEWS și este implicat în achiziția de date pe DUNE. „Așa că haideți să ne asigurăm că o putem face.”

Datorită razei enorme a supergigantei roșii, a spus Habig, DUNE ar putea detecta neutrini de la Betelgeuse cu până la 12 ore înainte ca lumina exploziei să ajungă pe Pământ, oferindu-le astronomilor suficient timp pentru a-și îndrepta telescoapele spre umărul lui Orion.

Observațiile continue ale lui Betelgeuse sugerează că întunecarea sa recentă a fost un semn al variabilității sale naturale, nu o supernovă iminentă. Conform estimărilor actuale, steaua mai are de trăit până la 100.000 de ani.

Dar dacă oamenii de știință vor avea noroc, „o explozie la Betelgeuse ar fi o oportunitate extraordinară”, a spus McDermott, „iar DUNE ar fi o mașinărie incredibilă pentru acest lucru.”

Aflați mai multe despre DUNE.

Cercetările de astrofizică de la Fermilab și Deep Underground Neutrino Experiment sunt susținute de către Biroul de Știință al Departamentului de Energie al SUA.

Fermilab este susținut de către Biroul de Știință al Departamentului de Energie al SUA. Office of Science este cel mai mare susținător al cercetării fundamentale în domeniul științelor fizice din Statele Unite și lucrează pentru a aborda unele dintre cele mai presante provocări ale timpului nostru. Pentru mai multe informații, vizitați science.energy.gov.

.