Detektor neutrin IceCube dostarczył dowodu, że wzdłuż płaszczyzny Drogi Mlecznej emitowane są dodatkowe neutrina, zgodne z rozkładem emisji promieniowania gamma. Oznacza to, że wysokoenergetyczne neutrina mogą być wytwarzane przez pobliskie źródła w galaktyce, a nie pochodzić jedynie od źródeł pozagalaktycznych, takich jak aktywne galaktyki.
IceCube Neutrino Observatory to gigatonowy detektor pracujący na stacji Amundsena-Scotta na biegunie południowym, obejmujący kilometr sześcienny lodu Antarktydy i posiadający ponad 5000 czujników. Naukowcy z projektu IceCube ogłosili, że przy jego pomocy udało się wykryć neutrina o energiach miliony do miliardów razy większych niż te wytwarzane w reakcjach syntezy jądrowej w gwiazdach. Artykuł opisujący wyniki badań ukazał się 30 czerwca 2023 r. w Science.
Neutrina to cząstki elementarne, które nie oddziałują poprzez oddziaływania silne i elektromagnetyczne, a jedynie przy pomocy oddziaływań słabych i grawitacyjnych. Są bardzo przenikliwe, mogą bez problemu przelecieć przez całą Ziemię. Przez jeden centymetr kwadratowy Ziemi w ciągu sekundy przelatuje kilkadziesiąt miliardów neutrin. Mogą być jednak wychwytywane przez jądra atomowe, powodując ich rozpad. Tę cechę wykorzystuje się do detekcji neutrin, obserwując promieniowanie powstałe w wyniku takiego procesu.
Czy Droga Mleczna może być także źródłem neutrin?
Wiadomo, że oddziaływania pomiędzy promieniowaniem kosmicznym (wysokoenergetyczne protony i cięższe jądra), a galaktycznym gazem i pyłem, wytwarzają zarówno promieniowanie gamma, jak i neutrina. Na podstawie obserwacji płaszczyzny galaktyki w promieniowaniu gamma można przypuszczać, że Droga Mleczna będzie też źródłem wysokoenergetycznych neutrin.
Co ciekawe, w przeciwieństwie do światła na dowolnej długości fali, w przypadku neutrin to Wszechświat świeci mocniej niż pobliskie źródła w naszej galaktyce – wskazuje prof. Francis Halzen z University of Wisconsin–Madison, kierownik naukowy projektu IceCube.
Badania naukowców z IceCube koncentrowały się na niebie południowym, gdzie spodziewano się większości emisji neutrin z płaszczyzny galaktycznej, w pobliżu centrum Drogi Mlecznej. Jednak do tej pory tło pochodzące od mionów i neutrin wytwarzanych przez oddziaływania promieniowania kosmicznego z ziemską atmosferą stanowiły znaczne utrudnienie. Aby przezwyciężyć ten problem, naukowcy z Drexel University opracowali metodę wybierającą zdarzenia kaskadowe – oddziaływania neutrin w lodzie, których skutkiem są prawie sferyczne deszcze światła. Zdarzenia kaskadowe są bardziej odporne na wspomniane zakłócenia, dzięki czemu można uzyskać lepszą czułość detekcji neutrin astrofizycznych.
Artystyczna wizja Drogi Mlecznej widzianej przy pomocy neutrin. Źródło: IceCube Collaboration/U.S. National Science Foundation (Lily Le & Shawn Johnson)/ESO (S. Brunier).
Uczenie maszynowe pomaga naukowcom
W osiągnięciu końcowego rezultatu pomogło dodatkowo zastosowanie metod uczenia maszynowego opracowanych na TU Dortmund University. Usprawniły one identyfikację kaskad wytwarzanych przez neutrina, a także rekonstrukcję ich kierunku i energii. W komunikacie podkreślono znaczenie uczenia maszynowego w odkryciu. Pozwoliło ono sprawdzić o rząd wielkości więcej zdarzeń z neutrinami i uzyskać wyniki analiz trzykrotnie bardziej czułe niż do tej pory.
W badaniach użyto zestawu danych obejmujących 60 000 neutrin zarejestrowanych w ciągu 10 lat. To 30 razy więcej zdarzeń niż w przypadku wcześniejszych analiz dotyczących płaszczyzny galaktyki przy pomocy zdarzeń kaskadowych.
Wyniki porównano z wcześniej opublikowanymi mapami przewidywanych miejsc na niebie, w których galaktyka powinna "świecić" w neutrinach. Jedna z takich map była opracowana na podstawie ekstrapolacji obserwacji promieniowania gamma Drogi Mlecznej przez Fermi Large Area Telescope. Dwie pozostałe mapy to KRA-gamma, utworzone przez teoretyków.
Analizy potwierdziły, że Droga Mleczna może być źródłem wysokoenergetycznych neutrin. Sygnał jest zgodny z emisją rozmytą neutrin z Drogi Mlecznej, ale może pochodzić też od populacji nierozdzielonych źródeł punktowych. Jako następny krok badacze zapowiadają próbę identyfikacji konkretnych źródeł w galaktyce.
Co nam daje to odkrycie? Poza potwierdzeniem wcześniejszych przypuszczeń teoretycznych, otrzymaliśmy dodatkowo nową metodę badania Drogi Mlecznej przy pomocy przenikliwych neutrin, zamiast światła i promieniowania elektromagnetycznego.
IceCube Neutrino Observatory, czyli Obserwatorium Neutrinowe IceCube, jest finansowane głównie dzięki środkom z National Science Foundation przyznanym dla University of Wisconsin–Madison (USA). Łącznie w projekcie IceCube współpracuje ponad 350 naukowców z 58 instytucji z całego świata, a w szczególności z krajów takich jak Australia, Belgia, Dania, Japonia, Kanada, Korea Południowa, Niemcy, Nowa Zelandia, Stany Zjednoczone, Szwecja, Szwajcaria, Tajwan, Wielka Brytania, Włochy.
Więcej informacji:
- Our galaxy seen through a new lens: neutrinos detected by IceCube
- Publikacja naukowa: Observation of high-energy neutrinos from the Galactic plane
Opracowanie: Krzysztof Czart
Źródło: IceCube
Ilustracja na samej górze:
Widok na Drogę Mleczną na różne sposoby. Każdy z paneli pokazuje całą płaszczyznę galaktyki w zakresie ±15◦ szerokości galaktycznej i ma własną skalę kolorów. Od góry: (1) zakres optyczny, (2) zintegrowany strumień promieniowania gamma widziany przez 12-letni przegląd Fermi-LAT, (3) wzór spodziewanej emisji strumienia neutrin dopasowanej do pomiarów Fermi-LAT, (4) wzór emisji z panelu nr 3 w powiązaniu z analizą detektora IceCube dla kaskadowych zdarzeń neutrinowych, (5) wstępna próba istotności skanu całego nieba dla źródeł punktowych przy pomocy próbki kaskadowych zdarzeń neutrinowych. Źródło: IceCube Collaboration
