I slutet av 2019, Betelgeuse, stjärnan som bildar den vänstra axeln av stjärnbilden Orion, började bli märkbart mörkare, föranledde spekulationer om en förestående supernova. Om det exploderade, denna kosmiska granne bara 700 ljusår från jorden skulle vara synlig på dagtid i veckor. Ändå skulle 99% av explosionens energi inte bäras av ljus, men av neutrinos, spökliknande partiklar som sällan interagerar med annan materia.

Om Betelgeuse blir supernova snart, att upptäcka de utsända neutrinerna skulle "dramatiskt förbättra vår förståelse av vad som pågår djupt inuti kärnan av en supernova, " sa Fermilab-teoretikern Sam McDermott. Och det skulle ge en unik möjlighet att undersöka egenskaperna hos neutrinos själva. The Deep Underground Neutrino Experiment, värd för Fermilab och planerade att starta i slutet av 2020-talet, utvecklas med dessa mål i åtanke.

DUNEs fjärrdetektor – en enorm tank med flytande argon vid Sanford Underground Research Facility i South Dakota – kommer att fånga upp signaler som lämnats av neutriner som strålas från Fermilab såväl som de som kommer från rymden. Eftersom en supernova sänder ut neutriner jämnt i alla riktningar, antalet neutriner som DUNE kunde upptäcka faller av som kvadraten på avståndet mellan supernovan och jorden. Det är, antalet neutriner som kunde ses 10, 000 ljusår från en supernova är 100 gånger mindre än det antal som kunde detekteras från en lika kraftfull supernova 1, 000 ljusår bort.

Av denna anledning, om en supernova uppstår i mitten av vår galax, tiotusentals ljusår bort, DUNE kommer sannolikt att upptäcka några tusen neutriner. På grund av Betelgeuses relativa närhet, dock, forskare förväntar sig att DUNE kommer att upptäcka omkring en miljon neutriner om den röda superjätten exploderar under de kommande decennierna, erbjuder en bonanza av data.

Även om ljuset från Betelgeuse supernova skulle dröja kvar i veckor, utbrottet av neutriner skulle bara vara några minuter.

"Föreställ dig att du är i skogen, och det finns en äng och det finns eldflugor, och det är tiden på natten där tusentals av dem kommer ut, " sa Georgia Karagiorgi, en fysiker vid Columbia University som leder dataurvalsteamet vid DUNE. "Om vi ​​kunde se neutrinointeraktioner med våra bara ögon, det är ungefär så det skulle se ut i DUNE-detektorn."

Detektorn kommer inte direkt att fotografera inkommande neutriner. Snarare, den kommer att spåra banorna för laddade partiklar som genereras när neutrinerna interagerar med argonatomer. I de flesta experiment, neutrinointeraktioner kommer att vara sällsynta nog för att undvika förvirring om vilken neutrino som orsakade vilken interaktion och vid vilken tidpunkt. Men under Betelgeuse supernova, så många neutriner som anländer så snabbt skulle kunna utgöra en utmaning i dataanalysen – liknande att spåra en enda eldfluga på en äng som kryllar av insekter.

"För att ta bort oklarheter, vi litar på lätt information som vi får omedelbart så snart interaktionen äger rum, ", sa Karagiorgi. Att kombinera ljussignaturen och laddningssignaturen skulle göra det möjligt för forskare att särskilja när och var varje neutrinointeraktion inträffar.

Därifrån, forskarna skulle rekonstruera hur typerna, eller smaker, och energierna hos inkommande neutrinos varierade med tiden. Det resulterande mönstret kunde sedan jämföras med teoretiska modeller av dynamiken hos supernovor. Och det kan kasta ljus över de fortfarande okända massorna av neutriner eller avslöja nya sätt som neutriner interagerar med varandra.

Självklart, astronomer som hoppas på att Betelgeuse ska bli supernova är också intresserade av ljuset som genereras av stjärnexplosionen. När det är klart, DUNE kommer att ansluta sig till Supernova Early Warning System, eller SNEWS, ett nätverk av neutrinodetektorer runt om i världen utformat för att automatiskt skicka en varning när en supernova pågår i vår galax. Eftersom neutriner passerar genom en supernova obehindrat, medan ljuspartiklar kontinuerligt absorberas och återutsänds tills de når ytan, utbrottet av neutriner anländer till jorden timmar innan ljuset gör det – därav den tidiga varningen.

SNEWS har aldrig skickat ut någon varning. Även om hundratals supernovor observeras varje år, den senaste som är tillräckligt nära jorden för att dess neutriner ska kunna detekteras inträffade 1987, mer än ett decennium innan SNEWS kom online. Baserat på andra observationer, astronomer förväntar sig att en supernova i genomsnitt kommer att inträffa i vår galax flera gånger per århundrade.

"Om vi ​​driver DUNE några decennier, vi har ganska goda chanser att se en, och vi kan extrahera mycket vetenskap ur det, sa Alec Habig, en fysiker vid University of Minnesota, Duluth, som koordinerar SNEWS och är involverad i datainsamling på DUNE. "Så låt oss se till att vi kan göra det."

Med tanke på den röda superjättens enorma radie, Habig sa, DUNE skulle upptäcka neutriner från Betelgeuse upp till 12 timmar innan ljuset från explosionen når jorden, ger astronomer gott om tid att rikta sina teleskop mot Orions axel.

Fortsatta observationer av Betelgeuse tyder på att dess senaste nedtoning var ett tecken på dess naturliga variation, inte en förestående supernova. Aktuella uppskattningar ger stjärnan upp till 100, 000 år att leva.

Men om forskare har tur, "en explosion vid Betelgeuse skulle vara en fantastisk möjlighet, "McDermott sa, "och DUNE skulle vara en otrolig maskin för jobbet."