Den 24 februari kl. 1987, ljus från en supernova som exploderade 168, 000 år sedan i det stora magellanska molnet, en granne till Vintergatan, nådde jorden. Astronomerna Ian Shelton och Oscar Duhalde vid Las Campanas -observatoriet i Chile rapporterade först supernova, kallad SN 1987A (eller helt enkelt 87A), som var en av de ljusaste på nästan fyra århundraden.

En supernova som 87A uppstår när en stjärna som är många gånger större än vår sol tar slut på bränsle i kärnan. Vid denna tidpunkt, kärnan är gjord av järn, och dess öde beror på striden mellan två krafter:Gravitation försöker kollapsa den medan elektroner effektivt stöter bort varandra, tack vare Pauli -uteslutningsprincipen, en kvantmekanisk effekt. Ett tag, jämvikten bibehålls, men järnkärnans massa fortsätter att öka, på grund av kärnkraftsförbränning i skalet ovanför den. Så småningom, kärnmassan når ett kritiskt värde som kallas Chandrasekhar -gränsen, och tyngdkraftens obevekliga dragning vinner. Kärnan kollapsar på sig själv i nära fritt fall, och en chockvåg bildas runt den. Uppvärmd av energin att fly neutrinoer, chockvågan skjuter ut de yttre skikten av stjärnan i en katastrofal blast som kort kan lysa starkare än hela galaxer. Efter att ha tappat sin energi till neutrinoutsläpp, kärnan sätter sig slutligen i det som kallas en neutronstjärna, effektivt en jättekärna som huvudsakligen består av neutroner.

När Duhalde och Shelton såg ljus från 87A, tre neutrinodetektorer runt om i världen hade redan plockat upp bevis för supernova. Det mesta av den energi som frigörs i en supernova avges som neutrinoer, nästan masslösa subatomära partiklar som reagerar sällan med vanligt material. Eftersom de interagerar så svagt, neutriner kan glida ut ur kuvertet på en kollapsande supernova timmar innan ljuspartiklar, som åker på explosionens chockvåg, kastas ut.

Neutrinos producerade av 87A anlände till jorden precis innan ljuset från explosionen gjorde. Irvine-Michigan-Brookhaven (IMB), ett neutrinoobservatorium i Ohio vid stranden av Lake Erie, upptäckte åtta neutrinohändelser. Baksan Neutrino Observatory i Ryssland upptäckte ytterligare fem, och Kamiokande II, en neutrino -detektor djupt under jorden i en japansk gruva, såg 11. Det var första gången som neutrinoer från en supernova hade upptäckts - även om neutrinoforskarna inte insåg det förrän efter att Duhalde och Shelton meddelade sin observation. De hittade neutrinohändelserna i deras data först när de letade efter dem när de hörde nyheterna om supernova.

Något otroligt som väntar på att bli känt?

Mer än 30 år senare, forskare bygger det internationella Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), värd av Fermilab. Det är 70, 000-ton vätske-argondetektor kommer att ligga nästan en mil under jorden vid Sanford Underground Research Facility i South Dakota, väntar på att en ny skur av supernova -neutriner ska komma. Upptäckten skulle föreställa en ny exploderande stjärna någonstans i Vintergatan.

Kate Scholberg, en partikelfysiker vid Duke University, säger supernova neutrinoer kan lära oss mycket om supernovaer och partikelfysik om vi upptäcker dem nästa gång en händelse som 87A inträffar. Det beror på att neutrinoerna bär med sig information om supernova när de reser över rymden. Signalerna neutrinoerna ger i partikeldetektorer som DUNE skulle göra det möjligt för fysiker att dra slutsatser om de förhållanden under vilka neutrinoerna gjordes och ge bevis för den exploderande stjärnans öde.

"Du kan faktiskt se de processer som sker i realtid när neutronstjärnan föds, "sade Scholberg, som studerar neutrinoer som en del av DUNE.

Dessa processer kan peka på ny fysik. Till exempel, om exotiska partiklar produceras i en supernova, spår av deras existens skulle vara uppenbara i signalen från neutrinoerna. Det beror på att fysiker kan beräkna den totala energin som produceras av en supernova, och de kan uppskatta hur mycket av det som avges som neutrino från mätningen. Om den totala energin som upptäcks inte blir den förväntade totalen, det kan antyda att nya partiklar produceras.

"Upptäckten av en supernova 1987 från Kamiokande var, till mig, en av de mest imponerande upptäckterna för partikelfysik, "sa Inés Gil Botella, en forskare vid Spaniens centrum för energi, Miljö och teknik, eller CIEMAT, och en av ledarna på DUNE:s supernovasökning. "Det öppnade ett sätt att förstå universum genom andra partiklar än fotoner. Denna nya multimessenger -era med astrofysik började verkligen med upptäckten av supernova neutrinoer."

DUNE -dimensionen

Medan detektorer bara fångade 24 av neutrinoerna som släpptes ut från 87A, hundratals fackgranskade artiklar publicerades som ett resultat av upptäckten och efterföljande forskning. När DUNE är klar, den skulle kunna se mycket fler neutriner och bidra till en liknande - och helt ny - forskningsflöde.

"DUNE har flera funktioner som verkligen är unika bland alla stora neutrino -detektorer när det gäller studier av supernova -neutriner, "sa Steven Gardiner, en Fermilab -forskare som arbetar med att simulera vad som händer när en supernova -neutrino kommer in i en detektor.

DUNE skiljer sig från Cherenkov -detektorer som Kamiokande på flera sätt, inklusive att det använder flytande argon istället för vatten som målmedium. Flytande-argondetektorer upptäcker neutrinoer när de kolliderar med argonkärnor. Argons kärna består av protoner och neutroner som är arrangerade i olika energitillstånd. När en neutrino kolliderar med en argonkärna, en proton eller neutron i ett lägre energitillstånd kan höjas till ett högre energitillstånd och leda till utsläpp av partiklar från argonkärnan via dess av-excitation. Några av dessa partiklar kan observeras av detektorn.

"När kärnan exciterar, några olika saker kan hända, "Sa Gardiner." Kärnan kan avge gammastrålning, neutroner, protoner eller tyngre kärnfragment. Du kan eventuellt se gammastrålar i flytande argon, eftersom de kommer att sprida elektroner i argon, och du kommer att se små blipp som kommer från dem. "

Cherenkov -detektorer, som främst letar efter elektronantineutriner som slår bara protoner, kan inte rekonstruera gammastrålar med så mycket detaljer som vätske-argondetektorer kan.

På grund av den komplicerade karaktären av energirekonstruktionen, Det är en ganska utmaning att rekonstruera supernova neutrinohändelser i en vätske-argondetektor. Gardiner bygger för närvarande datorsimuleringar som kan modellera de olika signaturer som kan uppstå när en neutrino interagerar med det flytande argonet i DUNE.

"Svårigheten är, eftersom du har så många argon -upphetsade tillstånd tillgängliga, du har alla möjliga olika signaturer som kan produceras i din detektor, "sa han." Och du måste hantera den komplexiteten för att helt rekonstruera energin från en neutrino -kollision. "

Sedan är det utmaningen att reta ut signalen från bruset. Supernova -neutriner bär mycket mindre energi än, säga, neutriner producerade av en partikelaccelerator, så signalerna de producerar i argon är svagare. Att få fram dessa lågenergi-interaktioner kräver både en känslig detektor och kunskap om interaktionens olika signaturer.

"Neutrinoer med hög energi är lättare att upptäcka, och deras interaktioner är välkända. Vi vet hur de beter sig, "Sa Gil Botella." Men vid dessa låga, supernova-neutrino energier, interaktionerna med argon är inte särskilt välkända. Vi har inte så mycket experimentell data för att säga vad som händer när en neutrino med låg energi interagerar med argon. "

Och forskare vid världens andra neutrino -projekt vill förändra det, planera experiment som skulle måla upp en tydligare bild av lågenergin neutrinoer.

"Att studera neutrinoer är en knepig affär, och vi har mer arbete att göra, men DUNE:s tekniska förmåga gör dessa utmaningar mycket mer överkomliga, "Sa Gardiner." Fysikutbetalningarna kommer att bli enorma. Om vi ​​ska ta itu med dessa frågor, DUNE är ett bra sätt att göra det. "

Oscillationsstation

DUNE kan också hjälpa till att informera vår förståelse av neutrinooscillation på ett sätt som andra detektorer inte kan. I Cherenkov -detektorer, signalen produceras mestadels av elektronantineutrinos som interagerar med vattenmolekyler. Omvänt, flytande argon provar också elektronneutriner från supernovans ejecta.

"Vi behöver både elektronneutrinoer och antineutrinos för att ta bort svängningsscenarier, "sa Alex Friedland, en partikelfysiker och senior personalvetare vid SLAC National Accelerator Laboratory i Kalifornien. DYN, eftersom det kommer att vara den enda detektorn som kan se elektronneutriner, lägger till en saknad bit i det pusslet.

Neutrinos pendlar mellan tre smaker (elektron, muon eller tau) när de rör sig genom rymden. Fysiker har studerat neutrinooscillationer hos neutrinoer som produceras i solen, i jordens atmosfär, från kärnreaktorer och i högenergipartikelstrålar skapade av partikelacceleratorer. Men de har inte kunnat studera dem i supernovor, där antalet producerade neutrinoer helt enkelt är utanför diagrammen jämfört med andra källor.

"Detta är den yttersta intensitetsgränsen, "Sa Friedland." Naturen gör det för oss, så vi måste bara dra nytta av det. Supernova är ett laboratorium på andra sidan av galaxen. Det utför experiment, och vi måste bara bygga detektorn och göra en mätning. Självklart, det är användbart att komma ihåg att denna mätning "bara" råkar vara en av de mest utmanande uppgifterna som DUNE, den mest avancerade neutrinodetektorn som någonsin byggts, kommer att åta sig. "

Neutrinooscillation beskriver vanligtvis en enda partikel som förändrar smaker, men under rätt omständigheter - som i en kollapsande supernova - kan många neutrinoer pendla kollektivt.

"Kollektiv svängning betyder att du har neutrinoer som går igenom bakgrunden till andra neutrinoer, och ett smakläge för en given neutrino vet om vad alla andra neutrinoer som den passerar gör när det gäller smak, "Sa Friedland.

Med tillräckligt med neutrinosignaler - som en detektor som jätten DUNE kan samla - kan fysiker rekonstruera energispektrumet för elektronneutrinerna som anländer till jorden. Detta spektrum kan ha slående egenskaper präglade av det genom kollektiva svängningar av neutrinoer inuti supernova. Med den informationen, de kan se hur neutrinoerna utvecklades kollektivt i den döende stjärnan.

Informationen kan ge dem ledtrådar om vad som hände med stjärnan själv, också. Neutrino-densiteten är så hög i en supernova med kärna-kollaps som 87A att den påverkar hur stjärnan exploderar. Explosionens chockvåg drivs av vad fysiker kallar den neutrindrivna vinden.

Andra kärnkollapshändelser kan inte producera en supernova som vi lätt kan se från jorden, men vi vet att de inträffade när neutrinodetektorerna registrerar en skur.

"När en stjärna kollapsar i ett svart hål, du får förmodligen inga fyrverkerier, "Förklarade Scholberg." Observatörerna kanske inte ser något, eller bara se en stjärna blinka ut. Den typen av händelser skulle ses ljust i neutrinoer. "

När DUNE -detektorerna är på plats, de kommer att användas för att mäta neutrinoer som kommer från Fermilab -acceleratorer och vänta tålmodigt på att en supernova ska explodera. Detta händer i vår galax i genomsnitt en gång vart 30 till 50 år.

"Det är nackdelen med supernova neutrino världen; vi väntar alltid, "Sade Scholberg." Det är bättre att du inte missar någonting. "

När det inträffar, en supernova med kärnkollaps kommer att bli en stor händelse som kommer att påverka flera forskningsområden, inklusive partikelfysik och astrofysik.

"Det är så imponerande:Supernovor producerar ett stort antal neutrinoer, de reser så långt, och du får en signal direkt från något som är kiloparsek bort, "Sa Gil Botella." Det är verkligen fantastiskt att få tillgång till information i en sådan stjärna. Det är sambandet med objekten i universum - det okända i universum. "

Medlemmar av allmänheten kan registrera sig för att få varningar från SuperNova Early Warning System (SNEWS). Det automatiska systemet innehåller för närvarande sju neutrino -experiment i Kanada, Kina, Italien, Japan och på Sydpolen. När neutriner som produceras i en supernova når jorden, SNEWS skickar ut e -postvarningar för att meddela sin ankomst, som skulle fängsla forskarsamhället.

"När supernova händer, du kan glömma allt annat som vi tänkte på, "Sa Friedland." Vetenskapens värld kommer att prata om det i minst ett år eller mer. "