Fin 2019, Bételgeuse, l'étoile qui forme l'épaule gauche de la constellation d'Orion, a commencé à s'assombrir sensiblement, incitant à la spéculation d'une supernova imminente. S'il a explosé, ce voisin cosmique à seulement 700 années-lumière de la Terre serait visible pendant la journée pendant des semaines. Pourtant 99% de l'énergie de l'explosion ne serait pas transportée par la lumière, mais par les neutrinos, particules fantomatiques qui interagissent rarement avec d'autres matières.

Si Bételgeuse devient bientôt supernova, détecter les neutrinos émis « améliorerait considérablement notre compréhension de ce qui se passe au plus profond du cœur d'une supernova, " a déclaré le théoricien du Fermilab Sam McDermott. Et cela représenterait une occasion unique d'étudier les propriétés des neutrinos eux-mêmes. L'expérience Deep Underground Neutrino, hébergé par le Fermilab et dont la mise en service est prévue à la fin des années 2020, est développé avec ces objectifs à l'esprit.

Le détecteur lointain de DUNE - un énorme réservoir d'argon liquide au centre de recherche souterrain de Sanford dans le Dakota du Sud - captera les signaux laissés par les neutrinos émis par le Fermilab ainsi que ceux provenant de l'espace. Comme une supernova émet des neutrinos uniformément dans toutes les directions, le nombre de neutrinos que DUNE pourrait détecter diminue comme le carré de la distance entre la supernova et la Terre. C'est-à-dire, le nombre de neutrinos pouvant être repérés 10, 000 années-lumière d'une supernova est 100 fois plus petit que le nombre qui pourrait être détecté à partir d'une supernova 1 tout aussi puissante, à 000 années-lumière.

Pour cette raison, si une supernova se produit au milieu de notre galaxie, à des dizaines de milliers d'années-lumière, DUNE détectera probablement quelques milliers de neutrinos. En raison de la proximité relative de Bételgeuse, cependant, les scientifiques s'attendent à ce que DUNE détecte environ un million de neutrinos si la supergéante rouge explose dans les prochaines décennies, offrant une mine de données.

Bien que la lumière de la supernova de Bételgeuse persiste pendant des semaines, l'explosion de neutrinos ne durerait que quelques minutes.

"Imaginez que vous êtes dans la forêt, et il y a un pré et il y a des lucioles, et c'est l'heure de la nuit où des milliers d'entre eux sortent, " a déclaré Georgia Karagiorgi, un physicien de l'Université Columbia qui dirige l'équipe de sélection des données à DUNE. "Si nous pouvions voir les interactions des neutrinos à l'œil nu, c'est un peu à quoi cela ressemblerait dans le détecteur DUNE."

Le détecteur ne photographiera pas directement les neutrinos entrants. Plutôt, il suivra les chemins des particules chargées générées lorsque les neutrinos interagissent avec les atomes d'argon. Dans la plupart des expériences, les interactions de neutrinos seront suffisamment rares pour éviter toute confusion quant à savoir quel neutrino a causé quelle interaction et à quel moment. Mais pendant la supernova de Bételgeuse, autant de neutrinos arrivant si rapidement pourraient présenter un défi dans l'analyse des données, semblable au suivi d'une seule luciole dans une prairie grouillante d'insectes.

"Pour lever les ambiguïtés, nous nous appuyons sur des informations légères que nous obtenons rapidement dès que l'interaction a lieu, ", a déclaré Karagiorgi. La combinaison de la signature lumineuse et de la signature de charge permettrait aux chercheurs de distinguer quand et où chaque interaction de neutrinos se produit.

De là, les chercheurs reconstruiraient comment les types, ou des saveurs, et les énergies des neutrinos entrants variaient avec le temps. Le modèle résultant pourrait ensuite être comparé à des modèles théoriques de la dynamique des supernovae. Et cela pourrait faire la lumière sur les masses encore inconnues de neutrinos ou révéler de nouvelles façons dont les neutrinos interagissent les uns avec les autres.

Bien sûr, les astronomes qui espèrent que Bételgeuse deviendra une supernova s'intéressent également à la lumière générée par l'explosion de l'étoile. Une fois terminé, DUNE rejoindra le système d'alerte précoce Supernova, ou SNEWS, un réseau de détecteurs de neutrinos à travers le monde conçu pour envoyer automatiquement une alerte lorsqu'une supernova est en cours dans notre galaxie. Puisque les neutrinos traversent une supernova sans entrave, tandis que des particules de lumière sont continuellement absorbées et réémises jusqu'à atteindre la surface, la rafale de neutrinos arrive sur Terre des heures avant la lumière, d'où l'alerte précoce.

SNEWS n'a jamais envoyé d'alerte. Bien que des centaines de supernovae soient observées chaque année, le plus récent assez proche de la Terre pour que ses neutrinos soient détectés remonte à 1987, plus d'une décennie avant la mise en ligne de SNEWS. Sur la base d'autres observations, les astronomes s'attendent à ce qu'une supernova se produise dans notre galaxie plusieurs fois par siècle en moyenne.

"Si nous courons DUNE quelques décennies, nous avons de bonnes chances d'en voir un, et nous pourrions en extraire beaucoup de science, " a déclaré Alec Habig, un physicien à l'Université du Minnesota, Duluth, qui coordonne SNEWS et est impliqué dans l'acquisition de données sur DUNE. "Alors assurons-nous que nous pouvons le faire."

Étant donné l'énorme rayon de la supergéante rouge, Habig a dit, DUNE détecterait les neutrinos de Bételgeuse jusqu'à 12 heures avant que la lumière de l'explosion n'atteigne la Terre, donnant aux astronomes suffisamment de temps pour pointer leurs télescopes sur l'épaule d'Orion.

Les observations continues de Bételgeuse suggèrent que sa récente atténuation était un signe de sa variabilité naturelle, pas une supernova imminente. Les estimations actuelles donnent l'étoile jusqu'à 100, 000 ans à vivre.

Mais si les scientifiques ont de la chance, "une explosion à Bételgeuse serait une formidable opportunité, " McDermott a dit, "et DUNE serait une machine incroyable pour le travail."