Hvis Betelgeuse går boom:Hvordan DUNE ville reagere på en nærliggende supernova

I slutningen af ​​2019, Betelgeuse, stjernen, der danner venstre skulder af stjernebilledet Orion, begyndte at blive mærkbart dæmpet, giver anledning til spekulationer om en forestående supernova. Hvis den eksploderede, denne kosmiske nabo blot 700 lysår fra Jorden ville være synlig i dagtimerne i uger. Alligevel ville 99% af eksplosionens energi ikke blive båret af lys, men af ​​neutrinoer, spøgelseslignende partikler, der sjældent interagerer med andet stof.

Hvis Betelgeuse snart bliver supernova, at opdage de udsendte neutrinoer ville "dramatisk forbedre vores forståelse af, hvad der foregår dybt inde i kernen af ​​en supernova, " sagde Fermilab-teoretikeren Sam McDermott. Og det ville give en unik mulighed for at undersøge egenskaberne af neutrinoer selv. The Deep Underground Neutrino Experiment, hostet af Fermilab og planlagde at starte driften i slutningen af ​​2020'erne, udvikles med disse mål for øje.

DUNE's fjerndetektor - en enorm tank med flydende argon ved Sanford Underground Research Facility i South Dakota - vil opfange signaler efterladt af neutrinoer udstrålet fra Fermilab såvel som dem, der ankommer fra rummet. Da en supernova udsender neutrinoer jævnt i alle retninger, antallet af neutrinoer, som DUNE kunne detektere, falder af som kvadratet på afstanden mellem supernovaen og Jorden. Det er, antallet af neutrinoer, der kunne ses 10, 000 lysår væk fra en supernova er 100 gange mindre end det antal, der kunne detekteres fra en lige så kraftig supernova 1, 000 lysår væk.

Af denne grund, hvis en supernova opstår i midten af ​​vores galakse, titusindvis af lysår væk, DUNE vil sandsynligvis opdage et par tusinde neutrinoer. På grund af Betelgeuses relative nærhed, imidlertid, forskere forventer, at DUNE vil opdage omkring en million neutrinoer, hvis den røde supergigant eksploderer i de kommende årtier, tilbyder en bonanza af data.

Selvom lyset fra Betelgeuse supernovaen ville blive hængende i ugevis, udbruddet af neutrinoer ville kun vare minutter.

"Forestil dig, at du er i skoven, og der er en eng og der er ildfluer, og det er den tid om natten, hvor tusinder af dem kommer ud, " sagde Georgia Karagiorgi, en fysiker ved Columbia University, der leder dataudvælgelsesteamet på DUNE. "Hvis vi kunne se neutrino-interaktioner med vores bare øjne, sådan ville det se ud i DUNE-detektoren."

Detektoren vil ikke direkte fotografere indkommende neutrinoer. Hellere, det vil spore stierne for ladede partikler, der genereres, når neutrinoerne interagerer med argonatomer. I de fleste eksperimenter, neutrino-interaktioner vil være sjældne nok til at undgå forvirring om, hvilken neutrino der forårsagede hvilken interaktion og på hvilket tidspunkt. Men under Betelgeuse-supernovaen, så mange neutrinoer, der ankommer så hurtigt, kunne udgøre en udfordring i dataanalysen - svarende til at spore en enkelt ildflue på en eng, der vrimler med insekter.

"For at fjerne uklarheder, vi er afhængige af let information, som vi får med det samme, så snart interaktionen finder sted, " sagde Karagiorgi. Ved at kombinere lyssignaturen og ladningssignaturen ville forskerne kunne skelne, hvornår og hvor hver neutrinointeraktion finder sted.

Derfra, forskerne ville rekonstruere, hvordan typerne, eller smag, og energier af indkommende neutrinoer varierede med tiden. Det resulterende mønster kunne derefter sammenlignes med teoretiske modeller for dynamikken i supernovaer. Og det kunne kaste lys over de stadig ukendte masser af neutrinoer eller afsløre nye måder, hvorpå neutrinoer interagerer med hinanden.

Selvfølgelig, astronomer, der håber på, at Betelgeuse bliver supernova, er også interesserede i lyset, der genereres af stjerneeksplosionen. Når færdig, DUNE vil tilslutte sig Supernova Early Warning System, eller SNEWS, et netværk af neutrino-detektorer rundt om i verden designet til automatisk at sende en advarsel, når en supernova er i gang i vores galakse. Da neutrinoer passerer uhindret gennem en supernova, mens lyspartikler konstant absorberes og genudsendes, indtil de når overfladen, udbruddet af neutrinoer ankommer til Jorden timer før lyset gør det – deraf den tidlige advarsel.

SNEWS har aldrig udsendt en alarm. Selvom hundredvis af supernovaer observeres hvert år, den seneste tæt nok på Jorden til at dens neutrinoer kunne opdages, fandt sted i 1987, mere end et årti før SNEWS kom online. Baseret på andre observationer, astronomer forventer, at der i gennemsnit opstår en supernova i vores galakse flere gange pr.

"Hvis vi driver DUNE et par årtier, vi har ret gode odds for at se en, og vi kunne trække en masse videnskab ud af det, " sagde Alec Habig, en fysiker ved University of Minnesota, Duluth, der koordinerer SNEWS og er involveret i dataindsamling på DUNE. "Så lad os sørge for, at vi kan gøre det."

I betragtning af den røde supergigants enorme radius, Habig sagde, DUNE ville opdage neutrinoer fra Betelgeuse op til 12 timer før lyset fra eksplosionen når Jorden, giver astronomerne god tid til at pege deres teleskoper mod Orions skulder.

Fortsatte observationer af Betelgeuse tyder på, at dens nylige dæmpning var et tegn på dens naturlige variabilitet, ikke en forestående supernova. Aktuelle skøn giver stjernen op til 100, 000 år at leve.

Men hvis videnskabsmænd er heldige, "en eksplosion ved Betelgeuse ville være en fantastisk mulighed, " sagde McDermott, "og DUNE ville være en utrolig maskine til jobbet."