Eind 2019, Betelgeuze, de ster die de linkerschouder van het sterrenbeeld Orion vormt, begon merkbaar te dimmen, aanleiding tot speculatie van een op handen zijnde supernova. Als het ontplofte, deze kosmische buur op slechts 700 lichtjaar van de aarde zou gedurende weken overdag zichtbaar zijn. Toch zou 99% van de energie van de explosie niet door licht worden gedragen, maar door neutrino's, spookachtige deeltjes die zelden interageren met andere materie.

Als Betelgeuze binnenkort supernova wordt, het detecteren van de uitgezonden neutrino's zou "ons begrip van wat er diep in de kern van een supernova gebeurt drastisch 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, gehost door Fermilab en gepland om eind 2020 van start te gaan, wordt ontwikkeld met deze doelen in het achterhoofd.

De verre detector van DUNE - een enorme tank met vloeibaar argon in de Sanford Underground Research Facility in South Dakota - zal signalen opvangen die worden achtergelaten door neutrino's die vanuit Fermilab worden gestraald, evenals door neutrino's die vanuit de ruimte komen. Omdat een supernova neutrino's gelijkmatig in alle richtingen uitzendt, het aantal neutrino's dat DUNE kon detecteren daalt als het kwadraat van de afstand tussen de supernova en de aarde. Dat is, het aantal neutrino's dat kon worden gespot 10, 000 lichtjaar verwijderd van een supernova is 100 keer kleiner dan het aantal dat kan worden gedetecteerd door een even krachtige supernova 1. 000 lichtjaar verwijderd.

Om deze reden, als er een supernova plaatsvindt in het midden van onze melkweg, tienduizenden lichtjaren verwijderd, DUNE zal waarschijnlijk een paar duizend neutrino's detecteren. Vanwege de relatieve nabijheid van Betelgeuze, echter, wetenschappers verwachten dat DUNE ongeveer een miljoen neutrino's zal detecteren als de rode superreus de komende decennia explodeert, biedt een schat aan gegevens.

Hoewel het licht van de Betelgeuze supernova wekenlang zou blijven hangen, de uitbarsting van neutrino's zou slechts enkele minuten duren.

"Stel je voor dat je in het bos bent, en er is een weiland en er zijn vuurvliegjes, en het is de tijd van de nacht waar duizenden van hen naar buiten komen, " zei Georgië Karagiorgi, een natuurkundige aan de Columbia University die het dataselectieteam van DUNE leidt. "Als we neutrino-interacties met onze blote ogen zouden kunnen zien, zo zou het eruit zien in de DUNE-detector."

De detector zal inkomende neutrino's niet direct fotograferen. Liever, het zal de paden volgen van geladen deeltjes die worden gegenereerd wanneer de neutrino's interageren met argonatomen. In de meeste experimenten, neutrino-interacties zullen zeldzaam genoeg zijn om verwarring te voorkomen over welk neutrino welke interactie heeft veroorzaakt en op welk moment. Maar tijdens de Betelgeuze supernova, zoveel neutrino's die zo snel arriveren, kunnen een uitdaging vormen in de gegevensanalyse - vergelijkbaar met het volgen van een enkele vuurvlieg in een weiland dat wemelt van de insecten.

"Om onduidelijkheden weg te nemen, we vertrouwen op lichte informatie die we onmiddellijk krijgen zodra de interactie plaatsvindt, "Zei Karagiorgi. Door de lichtsignatuur en de ladingssignatuur te combineren, kunnen onderzoekers onderscheiden wanneer en waar elke neutrino-interactie plaatsvindt.

Vanaf daar, zouden de onderzoekers reconstrueren hoe de typen, of smaken, en energieën van binnenkomende neutrino's varieerden met de tijd. Het resulterende patroon kan vervolgens worden vergeleken met theoretische modellen van de dynamiek van supernova's. En het zou licht kunnen werpen op de nog onbekende massa's neutrino's of nieuwe manieren onthullen waarop neutrino's met elkaar interageren.

Natuurlijk, astronomen die hopen dat Betelgeuze supernova wordt, zijn ook geïnteresseerd in het licht dat wordt gegenereerd door de sterexplosie. Wanneer voltooid, DUNE zal toetreden tot het Supernova Early Warning System, of SNEEUW, een netwerk van neutrinodetectoren over de hele wereld, ontworpen om automatisch een waarschuwing te sturen wanneer er een supernova aan de gang is in onze melkweg. Omdat neutrino's ongehinderd door een supernova gaan, terwijl lichtdeeltjes voortdurend worden geabsorbeerd en opnieuw uitgezonden totdat ze het oppervlak bereiken, de uitbarsting van neutrino's arriveert uren voordat het licht op aarde aankomt - vandaar de vroege waarschuwing.

SNEWS heeft nog nooit een alert verstuurd. Hoewel er elk jaar honderden supernova's worden waargenomen, de meest recente dicht genoeg bij de aarde om zijn neutrino's te detecteren, vond plaats in 1987, meer dan een decennium voordat SNEWS online kwam. Op basis van andere waarnemingen, astronomen verwachten dat er gemiddeld meerdere keren per eeuw een supernova in ons melkwegstelsel zal plaatsvinden.

"Als we DUNE een paar decennia runnen, we hebben een goede kans 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 data-acquisitie op DUNE. "Dus laten we ervoor zorgen dat we het kunnen doen."

Gezien de enorme straal van de rode superreus, Habig zei, DUNE zou neutrino's van Betelgeuze detecteren tot 12 uur voordat het licht van de explosie de aarde bereikt, astronomen voldoende tijd geven om hun telescopen op Orions schouder te richten.

Voortdurende waarnemingen van Betelgeuze suggereren dat de recente verduistering een teken was van zijn natuurlijke variabiliteit, geen naderende supernova. Huidige schattingen geven de ster tot 100, 000 jaar te leven.

Maar als wetenschappers geluk hebben, "een explosie bij Betelgeuze zou een geweldige kans zijn, "McDermott zei, "en DUNE zou een ongelooflijke machine zijn voor de klus."