terça-feira, 7 de outubro de 2025

Experimento DUNE se prepara para observação de supernovas

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Além de revelar características de partículas misteriosas chamadas neutrinos, o enorme experimento DUNE pode ajudar os astrônomos a encontrar uma supernova logo no seu início.

Neste exato momento, em algum lugar do universo, uma estrela está prestes a morrer.

Bem, não exatamente "morrer". Como apontam o doutorando David Sweeney e o professor de astronomia Peter Tuthill, da Universidade de Sydney , "morrer" é um termo que os astrônomos tomaram emprestado da biologia. Estrelas que param de produzir energia são consideradas mortas.

Mas se uma estrela for massiva o suficiente — pelo menos cerca de oito vezes a massa do nosso Sol — ela libera uma última explosão de energia ao morrer, em uma explosão conhecida como supernova de colapso do núcleo. Pesquisadores veem essas supernovas como laboratórios de alta energia que podem nos ajudar a desvendar mistérios cósmicos.

Embora esses eventos espetaculares ocorram regularmente em todo o universo, os cientistas estimam que em nossa galáxia, a Via Láctea, eles ocorram apenas cerca de duas vezes por século. Como os pesquisadores que testemunham uma supernova próxima dificilmente terão uma segunda chance, é importante que estejam prontos para coletar o máximo de dados possível sobre o evento, o mais rápido possível.

“Sempre dizemos que os neutrinos são como gravadores de caixa-preta. Eles retornam com informações que nos contam sobre o funcionamento interno das estrelas.”

Em um futuro próximo, os astrônomos terão uma nova ferramenta para ajudá-los a detectar uma supernova próxima: o Experimento de Neutrinos no Subterrâneo Profundo. E com a ajuda de colegas físicos em experimentos no Grande Colisor de Hádrons, os cientistas do DUNE esperam disseminar essas informações com rapidez suficiente para que astrônomos de todo o mundo possam ver o evento explosivo em ação.

Laboratórios no céu

Cientistas usarão os detectores massivos do DUNE — localizado no Centro de Pesquisa Subterrânea de Sanford, em Dakota do Sul, e hospedado pelo Laboratório Nacional do Acelerador Fermi do Departamento de Energia dos EUA — para capturar dados de partículas fundamentais chamadas neutrinos. Os neutrinos são onipresentes — são liberados como parte de processos naturais em nosso planeta e em todo o universo —, mas também são difíceis de detectar.

Em grande parte, os cientistas do DUNE estudarão os neutrinos de um poderoso feixe produzido no Fermilab e enviado para Dakota do Sul através da Terra. Mas os detectores do DUNE começarão a coletar dados de neutrinos assim que forem ligados, com ou sem o feixe. Assim, eles também capturarão neutrinos produzidos nas rochas circundantes, na atmosfera da Terra, no Sol — e potencialmente em uma supernova próxima.

Uma enorme quantidade de energia é liberada durante um evento de supernova e, embora parte dessa energia seja liberada como uma fantástica explosão de luz que pode brilhar por meses, cerca de 99% da energia é liberada na forma de neutrinos e suas contrapartes de antimatéria, os antineutrinos.

Como os neutrinos interagem tão raramente com a matéria, eles conseguem escapar rapidamente do núcleo em colapso de uma supernova. A luz, por outro lado, passa por múltiplas rodadas de absorção e reemissão pela matéria ao seu redor e, portanto, leva mais tempo para escapar. Isso significa que os neutrinos que se afastam da supernova chegarão à Terra bem antes da luz emitida pela explosão. Portanto, para os astrônomos que desejam capturar a luz, os neutrinos servem como um sinal de alerta precoce.

Em um artigo publicado neste verão , pesquisadores demonstraram que serão capazes de usar as interações de neutrinos de supernova no detector DUNE para determinar a localização de uma supernova no céu.

Além de usar as partículas para encontrar a luz, os físicos também podem aprender com os próprios neutrinos. "Sempre dizemos que os neutrinos são como os gravadores de caixa-preta", diz Sam Zeller, físico do Fermilab. "Eles retornam com informações que nos contam sobre o funcionamento interno das estrelas."

Irene Tamborra, astrofísica do Instituto Niels Bohr, afirma que os neutrinos oferecem aos cientistas uma visão única da física sob condições extremas. "As densidades, as temperaturas, as escalas de tempo", diz ela — "em nenhum lugar do mundo podemos recriá-las".

Capturar neutrinos de uma estrela moribunda também pode ajudar os cientistas a aprender sobre outro dos maiores mistérios do universo: o que acontece no nascimento de um buraco negro.

A maioria das galáxias, incluindo a nossa, possui buracos negros gigantescos em seus centros. O da Via Láctea, chamado Sagitário A*, tem 4 milhões de vezes a massa do Sol. Embora os físicos estejam estudando buracos negros existentes, eles nunca testemunharam o nascimento de um.

Os cientistas acreditam que alguns buracos negros podem se formar pela fusão de vários buracos negros menores, e outros podem ser criados após a morte de uma única estrela massiva.

"Nem todos esses colapsos de núcleo se transformam em supernovas", diz Kate Scholberg, pesquisadora de neutrinos da Universidade Duke. "Se isso gerar um buraco negro, pode não haver uma supernova. Veríamos os neutrinos pararem repentinamente. Isso seria muito emocionante."

Para pegar uma estrela moribunda

Cada neutrino que emerge de uma supernova carrega apenas uma pequena fração da energia da explosão da estrela. E quanto menor a energia de um neutrino, mais difícil é detectá-lo.

Em comparação com os neutrinos produzidos no feixe do Fermilab, os neutrinos de supernovas serão mais difíceis de encontrar. Neutrinos de supernovas podem ser considerados "do tamanho de uma toranja, em vez do tamanho de um carro", diz Scholberg. "Você não tem tanta energia, e a assinatura não é tão nítida. É mais fácil perdê-los no ruído."

O segredo para usar o DUNE para ajudar cientistas a estudar uma supernova é reconhecer essas pequenas explosões de energia com rapidez suficiente — muitas vezes em apenas alguns minutos. "Toda a energia da supernova está confinada aos primeiros 100 segundos do evento", diz Jennifer Ngadiuba, cientista do Fermilab.

Pesquisadores que trabalham no DUNE estão desenvolvendo ativamente os chamados "gatilhos" — algoritmos que visam classificar rapidamente milhões de interações de partículas registradas e salvar apenas as mais interessantes para a física. Esta é uma técnica comum usada em experimentos HEP, incluindo grandes experimentos como o ATLAS e o CMS no Grande Colisor de Hádrons do CERN, onde centenas de milhões de colisões de partículas ocorrem em segundos.

Os algoritmos de disparo permitirão que os pesquisadores do DUNE identifiquem rapidamente sinais de uma supernova próxima e enviem um alerta. O alerta será enviado a astrônomos em todo o mundo, que poderão então orientar seus telescópios a tempo de capturar a luz conforme ela alcança os neutrinos.

Os detectores do DUNE serão únicos no sentido de que, enquanto experimentos anteriores — como Kamiokande, IMB e Baksan — conseguiram detectar antineutrinos de eventos astronômicos, o DUNE será capaz de detectar neutrinos. Isso permitirá que os pesquisadores comparem o conhecimento adquirido tanto da matéria quanto da antimatéria.

Para saber mais, acesse o link>

Fonte: Fermilab / Publicação16/09/2025

https://www.symmetrymagazine.org/article/dune-experiment-prepares-for-supernova-watch?language_content_entity=und

Web Science Academy; Hélio R.M.Cabral (Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos de Economia, Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia Climatologia). Participou do curso Astrofísica Geral no nível Georges Lemaître (EAD), concluído em 2020, pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC).