Em 24 de fevereiro, 1987, luz de uma supernova que explodiu 168, 000 anos atrás, na Grande Nuvem de Magalhães, um vizinho da Via Láctea, atingiu a Terra. Os astrônomos Ian Shelton e Oscar Duhalde do Observatório Las Campanas, no Chile, relataram pela primeira vez a supernova, chamado SN 1987A (ou simplesmente 87A), que foi um dos mais brilhantes em quase quatro séculos.

Uma supernova como a 87A ocorre quando uma estrela muitas vezes maior que o nosso Sol fica sem combustível em seu núcleo. Neste ponto, o núcleo é feito de ferro, e seu destino depende da batalha entre duas forças:a gravidade tenta colapsá-lo enquanto os elétrons efetivamente se repelem, graças ao princípio de exclusão de Pauli, um efeito de mecânica quântica. Por um tempo, o equilíbrio é mantido, mas a massa do núcleo de ferro continua aumentando, por causa da queima nuclear na casca acima dela. Eventualmente, a massa do núcleo atinge um valor crítico chamado limite de Chandrasekhar, e a atração implacável da gravidade vence. O núcleo colapsa sobre si mesmo em quase queda livre, e uma onda de choque se forma em torno dele. Aquecido pela energia dos neutrinos em fuga, a onda de choque ejeta as camadas externas da estrela em uma explosão catastrófica que pode brilhar brevemente com mais intensidade do que galáxias inteiras. Depois de perder sua energia para a emissão de neutrino, o núcleo finalmente se estabelece no que é conhecido como uma estrela de nêutrons, efetivamente um núcleo gigante feito principalmente de nêutrons.

No momento em que Duhalde e Shelton viram a luz do 87A, três detectores de neutrinos em todo o mundo já haviam detectado evidências da supernova. A maior parte da energia liberada em uma supernova é emitida como neutrinos, partículas subatômicas quase sem massa que raramente reagem com matéria comum. Porque eles interagem tão fracamente, neutrinos podem escapar do envelope de uma supernova em colapso horas antes das partículas de luz, que montam a onda de choque da explosão, são ejetados.

Os neutrinos produzidos pelo 87A chegaram à Terra pouco antes da luz da explosão. Irvine-Michigan-Brookhaven (IMB), um observatório de neutrinos em Ohio, às margens do Lago Erie, detectou oito eventos de neutrino. O Observatório Baksan Neutrino, na Rússia, detectou mais cinco, e Kamiokande II, um detector de neutrino no subsolo de uma mina japonesa, viu 11. Foi a primeira vez que neutrinos de uma supernova foram detectados - embora os cientistas de neutrinos não tenham percebido até depois que Duhalde e Shelton anunciaram sua observação. Eles encontraram os eventos do neutrino em seus dados apenas quando os procuraram ao ouvir a notícia sobre a supernova.

Algo incrível esperando para ser conhecido?

Mais de 30 anos depois, cientistas estão construindo o experimento internacional Deep Underground Neutrino (DUNE), hospedado pelo Fermilab. São 70, O detector de argônio líquido de 000 toneladas estará localizado a quase um quilômetro abaixo do solo no Sanford Underground Research Facility, em Dakota do Sul, esperando a chegada de outra explosão de neutrinos de supernova. A descoberta pressagiava a explosão de uma nova estrela em algum lugar da Via Láctea.

Kate Scholberg, um físico de partículas na Duke University, diz que neutrinos de supernovas podem nos ensinar muito sobre supernovas e física de partículas se os detectarmos na próxima vez que ocorrer um evento como o 87A. Isso ocorre porque os neutrinos carregam informações sobre a supernova enquanto viajam pelo espaço. Os sinais que os neutrinos emitem em detectores de partículas como o DUNE permitiriam aos físicos tirar conclusões sobre as condições em que os neutrinos foram produzidos e fornecer evidências do destino da estrela em explosão.

"Você pode realmente ver os processos que estão acontecendo em tempo real enquanto a estrela de nêutrons está nascendo, "disse Scholberg, que estuda neutrinos como parte do DUNE.

Esses processos podem apontar para uma nova física. Por exemplo, se partículas exóticas são produzidas em uma supernova, traços de sua existência seriam evidentes no sinal feito pelos neutrinos. Isso porque os físicos podem calcular a energia total produzida por uma supernova, e eles podem estimar quanto dele foi emitido como neutrinos a partir da medição. Se a energia total detectada não corresponder ao total esperado, pode sugerir que novas partículas estão sendo produzidas.

"A detecção de uma supernova em 1987 em Kamiokande foi, para mim, uma das detecções mais impressionantes para a física de partículas, "disse Inés Gil Botella, um cientista do Centro de Energia da Espanha, Meio Ambiente e Tecnologia, ou CIEMAT, e um dos líderes na pesquisa de supernovas de DUNE. "Isso abriu um caminho para a compreensão do universo por meio de outras partículas que não os fótons. Esta nova era da astrofísica multimessageiros realmente começou com a detecção de neutrinos de supernova."

A dimensão DUNE

Enquanto os detectores capturaram apenas 24 dos neutrinos emitidos pelo 87A, centenas de artigos revisados ​​por pares foram publicados como resultado da descoberta e da pesquisa subsequente. Quando DUNE for concluído, poderia ver muito mais neutrinos e contribuir para uma onda semelhante - e inteiramente nova - de pesquisas.

"O DUNE tem vários recursos que são verdadeiramente únicos entre todos os grandes detectores de neutrinos quando se trata de estudos de neutrinos de supernova, "disse Steven Gardiner, um cientista do Fermilab que trabalha simulando o que ocorre quando um neutrino de supernova entra em um detector.

O DUNE é diferente dos detectores Cherenkov, como Kamiokande, de várias maneiras, incluindo que ele usa argônio líquido em vez de água como meio de destino. Os detectores de argônio líquido localizam neutrinos quando eles colidem com núcleos de argônio. O núcleo de argônio é composto de prótons e nêutrons dispostos em vários estados de energia. Quando um neutrino colide com um núcleo de argônio, um próton ou nêutron em um estado de energia inferior pode ser elevado a um estado de energia superior e levar à emissão de partículas do núcleo de argônio por meio de sua desexcitação. Algumas dessas partículas podem ser observadas pelo detector.

"Quando o núcleo se desincida, algumas coisas diferentes podem acontecer, "Gardiner disse." O núcleo pode emitir raios gama, nêutrons, prótons ou fragmentos nucleares mais pesados. Você pode potencialmente ver os raios gama no argônio líquido, porque eles vão espalhar elétrons no argônio, e você verá pequenos blips que vêm deles. "

Detectores Cherenkov, que procuram principalmente antineutrinos de elétrons atingindo prótons vazios, não pode reconstruir os raios gama com tantos detalhes quanto os detectores de argônio líquido podem.

Por causa da natureza complicada da reconstrução de energia, é um grande desafio reconstruir eventos de neutrino de supernova em um detector de argônio líquido. Gardiner está atualmente construindo simulações de computador que podem modelar as várias assinaturas que podem ocorrer quando um neutrino interage com o argônio líquido em DUNE.

"A dificuldade é, porque você tem tantos estados excitados com argônio disponíveis, você tem todos os tipos de assinaturas diferentes que podem ser produzidas em seu detector, "ele disse." E você tem que lidar com esse nível de complexidade para reconstruir totalmente a energia de uma colisão de neutrino. "

Depois, há o desafio de separar o sinal do ruído. Os neutrinos da supernova carregam muito menos energia do que, dizer, neutrinos produzidos por um acelerador de partículas, portanto, os sinais que eles produzem no argônio são mais fracos. Desenterrar essas interações de baixa energia requer um detector sensível e um conhecimento das várias assinaturas da interação.

"Os neutrinos de alta energia são mais fáceis de detectar, e suas interações são bem conhecidas. Nós sabemos como eles se comportam, "Gil Botella disse." Mas a estes baixos, energias supernova-neutrino, as interações com o argônio não são muito conhecidas. Não temos muitos dados experimentais para dizer o que acontece quando um neutrino de baixa energia interage com o argônio. "

E os cientistas de outros projetos de neutrinos do mundo estão procurando mudar isso, planejamento de experimentos que pintariam uma imagem mais clara dos neutrinos de baixa energia.

"Estudar neutrinos é um negócio complicado, e temos mais trabalho a fazer, mas as capacidades tecnológicas do DUNE tornam esses desafios muito mais tratáveis, "Gardiner disse." As recompensas da física serão enormes. Se vamos resolver essas questões, DUNE é uma boa maneira de fazer isso. "

Estação de oscilação

O DUNE também pode ajudar a informar nossa compreensão da oscilação de neutrinos de uma forma que outros detectores não conseguem. Nos detectores Cherenkov, o sinal é produzido principalmente por antineutrinos de elétrons interagindo com moléculas de água. Por outro lado, o argônio líquido também coleta neutrinos de elétrons do material ejetado da supernova.

"Precisamos de neutrinos e antineutrinos de elétrons para desemaranhar os cenários de oscilação, "disse Alex Friedland, um físico de partículas e cientista sênior da equipe do SLAC National Accelerator Laboratory, na Califórnia. DUNA, porque será o único detector que pode ver neutrinos de elétrons, adiciona uma peça que faltava a esse quebra-cabeça.

Os neutrinos oscilam entre três sabores (elétron, muon ou tau) à medida que se movem no espaço. Os físicos estudaram as oscilações de neutrinos em neutrinos produzidos no sol, na atmosfera da Terra, de reatores nucleares e em feixes de partículas de alta energia criados por aceleradores de partículas. Mas eles não foram capazes de estudá-los em supernovas, onde o número de neutrinos produzidos está simplesmente fora dos gráficos em comparação com outras fontes.

"Esta é a fronteira de intensidade final, "Friedland disse." A natureza faz isso por nós, então só temos que tirar proveito disso. A supernova é um laboratório do outro lado da galáxia. Realiza experimentos, e "apenas" temos que construir o detector e fazer uma medição. Claro, é útil ter em mente que esta medição 'apenas' passa a ser uma das tarefas mais desafiadoras que DUNE, o detector de neutrino mais avançado já construído, vai empreender. "

A oscilação de neutrino normalmente descreve uma única partícula mudando os sabores, mas sob as circunstâncias certas - como em uma supernova em colapso - muitos neutrinos podem oscilar coletivamente.

"Oscilação coletiva significa que você tem neutrinos que passam pelo fundo de outros neutrinos, e um estado de sabor de um determinado neutrino sabe sobre o que todos os outros neutrinos que ele passa estão fazendo em termos de sabor, "Friedland disse.

Com sinais de neutrino suficientes - que um detector como o gigante DUNE poderia acumular - os físicos podem reconstruir o espectro de energia dos neutrinos de elétrons que chegam à Terra. Este espectro pode ter características marcantes impressas nele por oscilações coletivas de neutrinos dentro da supernova. Com essa informação, eles podem ver como os neutrinos evoluíram coletivamente na estrela moribunda.

As informações podem dar pistas sobre o que aconteceu com a própria estrela, também. A densidade de neutrinos é tão alta em uma supernova de colapso do núcleo como a 87A que afeta como a estrela explode. A onda de choque da explosão é impulsionada pelo que os físicos chamam de vento impulsionado por neutrinos.

Outros eventos de colapso do núcleo podem não produzir uma supernova que possamos ver facilmente da Terra, mas saberemos que ocorreram quando os detectores de neutrino registrarem uma explosão.

"Quando uma estrela colapsa em um buraco negro, você provavelmente não obterá fogos de artifício, "Scholberg explicou." Os observadores podem não ver nada, ou apenas ver uma estrela piscar. Esses tipos de eventos seriam vistos claramente em neutrinos. "

Assim que os detectores DUNE estiverem instalados, eles serão usados ​​para fazer medições de neutrinos vindos dos aceleradores do Fermilab e esperar pacientemente pela explosão de uma supernova. Isso acontece em nossa galáxia, em média, uma vez a cada 30 a 50 anos.

"Essa é a desvantagem do mundo dos neutrinos da supernova; estamos sempre esperando, "Scholberg disse." É melhor você não perder nada. "

Quando isso ocorre, uma supernova de colapso do núcleo será um grande evento que afetará vários campos de pesquisa, incluindo física de partículas e astrofísica.

"É tão impressionante:as supernovas produzem um grande número de neutrinos, eles viajam uma distância tão longa, e você recebe um sinal diretamente de algo que está a quiloparsecs de distância, "Gil Botella disse." É realmente incrível ter acesso a informações dentro de uma estrela como essa. É a conexão com os objetos do universo - o desconhecido do universo. "

Membros do público podem se inscrever para receber alertas do SuperNova Early Warning System (SNEWS). O sistema automatizado atualmente inclui sete experimentos de neutrinos no Canadá, China, Itália, Japão e no Pólo Sul. Quando os neutrinos produzidos em uma supernova alcançam a Terra, SNEWS enviará alertas por e-mail para anunciar sua chegada, que cativaria a comunidade de pesquisa.

"Assim que a supernova acontecer, você pode esquecer tudo o mais em que estávamos pensando, "Friedland disse." O mundo da ciência vai falar sobre isso por pelo menos um ano ou mais. "