Обнаружение нейтрино создает призрачную карту Млечного Пути

Из призрачных частиц астрофизики составили новую карту галактики, в которой мы живем.

На данный момент эта карта Млечного Пути размыта и неполна. Но по мере сбора дополнительных данных они станут яснее и помогут пролить свет на галактические конвульсии, такие как расширяющиеся остатки взорвавшихся звезд, давая ключи к тайнам, которые трудно разгадать с помощью только наблюдений с помощью обычных телескопов.

«Впервые мы видим нашу собственную галактику не в свете», — сказала Наоко Курахаши Нейлсон, профессор физики Университета Дрекселя в Филадельфии, выдвинувшая идею о том, что можно получить новый взгляд на галактику. из частиц, известных как нейтрино.

Доктор Курахаши Нилсон и более 350 других ученых, которые совместно анализируют данные детектора нейтрино на Южном полюсе, сообщили о своих выводах в статье, опубликованной в четверг в журнале Science.

«Наконец-то это действительно начало нейтринной астрономии», — сказал Джон Дж. Лернед, физик из Гавайского университета, не участвовавший в исследованиях.

С тех пор, как люди смотрели на ночное небо, они видели полосу рассеянного света от звезд внутри галактики. Сложные телескопы исследовали Млечный Путь во всем спектре света, от радиоволн до гамма-лучей сверхвысоких энергий. Но это все формы света.

Нейтрино совершенно другое: это частицы, которые выбрасываются в результате множества субатомных реакций и являются одними из самых распространенных частиц во Вселенной. Но они почти ничего не весят и редко взаимодействуют с чем-либо.

На дне земли ученые превратили четверть кубической мили антарктического льда в нейтринную обсерваторию IceCube. Лед обеспечивает достаточную массу, чтобы одно из каждого миллиона нейтрино, проходящих через него, ударялось о что-то, испуская вспышку света, которую можно уловить более чем 5000 фотоумножителей, вмороженных в лед.

В ноябре прошлого года команда IceCube сообщила об обнаружении около 80 нейтрино от NGC 1068, галактики, расположенной всего в 47 миллионах световых лет от Земли. Эти нейтрино, скорее всего, были извергнуты, когда сверхмассивная черная дыра в ее центре жадно поглотила падающее в нее вещество.

Несколько любопытно, что не было нейтрино, которые астрономы могли бы с уверенностью сказать, что они пришли из нашей галактики Млечный Путь. В некотором смысле это было неудивительно. Черная дыра в центре Млечного Пути намного тише, чем у NGC 1068. Но астрофизики ожидали, что существуют и другие явления, которые будут генерировать достаточно нейтрино высокой энергии, чтобы их можно было обнаружить в IceCube.

Одним из препятствий на пути связывания нейтрино с событиями в Млечном Пути было размещение детектора IceCube в Южном полушарии, где нашу галактику легче всего наблюдать.

«Можно подумать, что лучше, потому что детектор находится в Южном полушарии», — сказал доктор Курахаши Нейлсон. Но вместо этого частицы, образующиеся, когда высокоэнергетические космические лучи сталкиваются с молекулами в атмосфере Земли, размывают нейтринный сигнал, который обычно ищут астрономы.

«Это почти как пытаться увидеть Млечный Путь в Лос-Анджелесе», — сказал доктор Курахаши Нейлсон.

Около пяти лет назад у нее появилась идея. Вместо нейтринных сигналов, на которых до этого сосредоточивались астрономы, — длинных световых дорожек, указывающих на их далекое происхождение, — доктор Курахаши Нейлсон хотел проанализировать сферические каскады света, которые нейтрино также могут генерировать внутри IceCube, которые не так полезно для определения происхождения частиц.

«Это похоже на сгусток света», — сказала она. «Раньше мы просто выбрасывали это с точки зрения астрономии».

Но капли не полностью симметричны во всех направлениях — так же, как камень, брошенный в пруд, создает рябь, которая не всегда точно круглая — так что направление нейтрино все же можно определить.

«Я думаю, что большинство моих сотрудников тогда не верили, что это возможно», — сказал доктор Курахаши Нейлсон. «Вы хотите выйти за рамки возможного, но не хотите делать что-то невозможное. Итак, у вас есть все эти идеи, которые находятся на грани, и вы должны выбрать ту, которая, по вашему мнению, может действительно сработать».

Стив Склафани, аспирант, работавший с доктором Курахаши Нейлсоном в Drexel, который в настоящее время является научным сотрудником Университета Мэриленда, и Мирко Хюннефельд, аспирант Технического университета Дортмунда в Германии, возглавили анализ, воспользовавшись достижениями в области машинное обучение, раздел искусственного интеллекта.

«Мы действительно пытаемся найти иголку в стоге сена», — сказал г-н Хюннефельд.

Чтобы избежать возможности обмануть себя, анализ данных IceCube за 10 лет был выполнен вслепую. Исследователи не смотрели ни на какие промежуточные результаты, и ученые до самого конца не знали, обнаружил ли вообще их анализ какие-либо нейтрино Млечного Пути. «Вполне возможно, что мы открыли эту коробку и увидели ноль», — сказал доктор Склафани.

Вместо этого анализ выявил сотни нейтрино, пришедших из галактической плоскости Млечного Пути. По-видимому, существует некоторая корреляция между нейтрино и гамма-лучами, самой высокой энергетической формой света. И то и другое создается каскадом частиц, которые выбрасываются, когда высокоэнергетические космические лучи сталкиваются с другими частицами, такими как молекулы газообразного водорода в межзвездном пространстве.

Рядом с галактическим центром есть наводящее на размышления яркое пятно — возможно, нейтрино, генерируемое сверхмассивной черной дырой Млечного Пути — но «это не так статистически значимо», — сказал доктор Курахаши Нейлсон. По мере сбора дополнительных данных эмиссия нейтрино из центра галактики станет отчетливой — или исчезнет, ​​потому что это была просто статистическая случайность.

Поток космических лучей, гамма-лучей и нейтрино на Земле показывает, что Вселенная далеко не спокойна, со взрывающимися звездами и черными дырами, поглощающими свое окружение.

«Мы наблюдаем все эти невероятно бурные и энергичные процессы», — сказала Регина М. Капуто, астрофизик из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА в Мэриленде, которая не участвовала в проекте IceCube.

Элизабет А. Хейс, научный сотрудник космического гамма-телескопа НАСА «Ферми», сказала, что IceCube обеспечит новое и отличное представление. «Теперь, когда у нас также есть нейтрино, — сказала она, — мы можем вместе взглянуть на эти вещи, чтобы действительно понять, откуда берется энергичная материя в нашей галактике и за ее пределами».