Od widzialnego światła gwiazd po fale radiowe, Droga Mleczna była od dawna obserwowana poprzez różne częstotliwości emitowanego przez nią promieniowania elektromagnetycznego. Naukowcy ujawnili teraz wyjątkowo odmienny obraz naszej galaktyki, określając galaktyczne pochodzenie tysięcy neutrin – niewidzialnych „cząstek duchów”, które istnieją w ogromnych ilościach, ale normalnie przechodzą przez Ziemię niezauważone. Obraz Drogi Mlecznej oparty na neutrinach jest pierwszym tego rodzaju: galaktycznym portretem wykonanym z cząstek materii, a nie z energii elektromagnetycznej.
Przełomu dokonano dzięki współpracy naukowców korzystających z Obserwatorium IceCube Neutrino wspieranego przez amerykańską National Science Foundation w stacji NSF Amundsen-Scott na biegunie południowym na Antarktydzie. Ogromne obserwatorium wykrywa subtelne oznaki wysokoenergetycznych neutrin z kosmosu za pomocą tysięcy połączonych w sieć czujników zakopanych głęboko w kilometrze sześciennym czystego, nieskazitelnego lodu. Wyniki zostały ujawnione podczas dzisiejszego wydarzenia na Uniwersytecie Drexel i zostaną opublikowane jutro w czasopiśmie Science.
„Pamiętam, jak powiedziałem:„ W tym momencie w historii ludzkości jesteśmy pierwszymi, którzy widzieli naszą galaktykę w czymkolwiek innym niż światło ”- mówi fizyk z Drexel University, Naoko Kurahashi Neilson, w chwili, gdy ona i dwaj doktoranci, Steve Sclafani z Drexel i Mirco Hünnefeld z TU Dortmund University w Niemczech najpierw zbadali obraz. Kurahashi Neilson zaproponowała innowacyjną analizę obliczeniową wykorzystaną do wygenerowania obrazu i otrzymała fundusze na realizację swojego pomysłu w ramach grantu z programu NSF Wydziału Rozwoju Wczesnej Kariery.
“Jak to często bywa, znaczące przełomy w nauce są możliwe dzięki postępowi technologicznemu” – mówi Denise Caldwell, dyrektor Wydziału Fizyki NSF. „Możliwości zapewniane przez bardzo czuły detektor IceCube, w połączeniu z nowymi narzędziami do analizy danych, dały nam zupełnie nowy obraz naszej galaktyki – taki, o którym wcześniej tylko wspominano. W miarę udoskonalania tych możliwości możemy spojrzeć nie mogę się doczekać oglądania tego obrazu wyłaniającego się z coraz większą rozdzielczością, potencjalnie ujawniającego ukryte cechy naszej galaktyki, których ludzkość nigdy wcześniej nie widziała”.
„Intrygujące jest to, że w przeciwieństwie do światła o dowolnej długości fali, w przypadku neutrin, wszechświat przyćmiewa pobliskie źródła w naszej własnej galaktyce” – mówi Francis Halzen, fizyk z University of Wisconsin-Madison i główny badacz w IceCube.
Oprócz zniechęcającego wyzwania polegającego na wykryciu notorycznie nieuchwytnych neutrin (i odróżnieniu ich od innych rodzajów cząstek międzygwiazdowych) istnieje jeszcze bardziej ambitny cel, jakim jest ustalenie, skąd one pochodzą. Kiedy neutrina wchodzą w interakcje z lodem pod IceCube, te rzadkie spotkania wytwarzają słabe wzory światła, które IceCube może wykryć. Niektóre wzorce światła są wysoce kierunkowe i wyraźnie wskazują określony obszar nieba, co pozwala naukowcom określić źródło neutrin. Takie interakcje były podstawą odkrycia przez IceCube Collaboration w 2022 roku neutrin pochodzących z innej galaktyki oddalonej o 47 milionów lat świetlnych.
Inne interakcje są znacznie mniej kierunkowe i powodują kaskadowe “kule światła” w czystym lodzie, mówi Kurahashi Neilson. Jej koledzy z IceCube Collaboration, Sclafani i Hünnefeld, opracowali algorytm uczenia maszynowego, który porównywał względne położenie, rozmiar i energię ponad 60 000 takich kaskad światła generowanych przez neutrina zarejestrowanych przez IceCube przez 10 lat.
Trzej badacze spędzili ponad dwa lata skrupulatnie testując i weryfikując swój algorytm za pomocą sztucznych danych symulujących wykrywanie neutrin. Kiedy w końcu przekazali prawdziwe dane dostarczone przez IceCube do algorytmu, pojawił się obraz przedstawiający jasne plamy odpowiadające lokalizacjom w Drodze Mlecznej, w których podejrzewano, że emitują neutrina. Miejsca te znajdowały się w miejscach, w których obserwowane promienie gamma były uważane za produkty uboczne zderzeń między promieniami kosmicznymi a gazem międzygwiazdowym, który teoretycznie powinien również wytwarzać neutrina.
„Odpowiednik neutrina został już zmierzony, potwierdzając w ten sposób to, co wiemy o naszej galaktyce i źródłach promieniowania kosmicznego” – mówi Sclafani.
W ciągu wielu dziesięcioleci naukowcy dokonali niezliczonych odkryć astronomicznych, rozszerzając metody stosowane do obserwacji wszechświata. Do niegdyś rewolucyjnych osiągnięć, takich jak radioastronomia i astronomia w podczerwieni, dołączyła nowa klasa technik obserwacyjnych wykorzystujących zjawiska takie jak fale grawitacyjne, a obecnie neutrina. Kurahashi Neilson mówi, że obraz Drogi Mlecznej oparty na neutrinach to kolejny krok w tej linii odkryć. Przewiduje, że astronomia neutrin będzie udoskonalana, podobnie jak metody, które ją poprzedzały, aż również będzie w stanie ujawnić nieznane wcześniej aspekty wszechświata.
„Dlatego robimy to, co robimy” – mówi. „Aby zobaczyć coś, czego nikt nigdy nie widział, i zrozumieć rzeczy, których nie zrozumieliśmy”.