Обсерватория в Антарктиде показывает «призрачный» новый портрет Млечного Пути

Иллюстрация художника изображает Млечный Путь через нейтринную линзу, которая показана синим цветом.

Впервые астрономы собрали светящийся портрет галактики Млечный Путь, используя космические «частицы-призраки», обнаруженные телескопом, встроенным во льды Антарктиды.

На протяжении многих лет астрономы демонстрировали потрясающие изображения Млечного Пути с помощью электромагнитного излучения видимого света или радиоволн. Но это новый взгляд на нашу галактику, основанный на частицах материи, а не на энергии.

Так называемые частицы-призраки — это нейтрино. Эти крошечные высокоэнергетические космические частицы часто называют призрачными, потому что они чрезвычайно парообразны и могут проходить через любой вид материи, не изменяясь.

Исследование было опубликовано в четверг в журнале Science.

«Я помню, как сказал: «На данный момент в истории человечества мы первые, кто видит нашу галактику в чем-либо, кроме света», — сказала соавтор исследования Наоко Курахаши Нейлсон, адъюнкт-профессор физики Университета Дрекселя, в заявлении, отражающем когда она и два докторанта впервые увидели изображение.

Нейтрино почти не имеют массы и могут путешествовать в самых экстремальных средах — включая звезды, планеты и целые галактики — и совершенно не менять своей структуры. Вполне вероятно, что миллиарды их проходят через нас каждый день, и мы их просто не чувствуем.

Частицы-призраки трудно обнаружить, потому что они не часто взаимодействуют со своим окружением, но взаимодействуют со льдом. А самую высокую концентрацию льда на Земле можно найти в Антарктиде.

Международная группа ученых использовала нейтринную обсерваторию IceCube на Южнополярной станции Амундсена-Скотта Национального научного фонда в Антарктиде, чтобы обнаружить нейтрино и проследить их происхождение.

Ледяной способ изучения космоса

Детектор IceCube, введенный в эксплуатацию в 2010 году, является крупнейшим в своем роде. Обсерватория может контролировать 1 миллиард тонн антарктического льда на предмет взаимодействия нейтрино. Чтобы построить детектор, рабочие просверлили во льду 86 лунок глубиной 1,5 мили (2,4 км) каждая и разбросали сеть из 5160 датчиков света по сетке, охватывающей 0,2 кубическую милю (1 кубический километр).

Когда нейтрино взаимодействуют со льдом, они создают слабые световые узоры, которые обнаруживает IceCube. Некоторые световые узоры указывают на определенные области неба, что позволяет астрономам проследить, откуда они возникли. В одном случае 2018 года ученые смогли использовать IceCube, чтобы проследить происхождение нейтрино, которое пролетело 3,7 миллиарда световых лет к Земле.

Но другие взаимодействия между нейтрино и льдом просто производят «пушистые шары света», что значительно усложняет отслеживание их пути к Земле, сказал Курахаши Нейлсон.

Детектор IceCube виден под звездным ночным небом, а Млечный Путь виден на фоне низких полярных сияний.

Вместе с докторантами Стивом Склафани из Университета Дрекселя и Мирко Хюннефельдом из Дортмундского технического университета в Германии создали алгоритм машинного обучения для сравнения размера, энергии и относительного положения более 60 000 световых паттернов нейтрино, обнаруженных IceCube за 10 лет.

Трио потратило более двух лет на тестирование алгоритма, прежде чем предоставить ему данные IceCube. Конечным результатом стало изображение, показывающее яркие точки света на Млечном Пути, которые, вероятно, испускают нейтрино, создавая новый портрет нашей галактики.

«Увидеть нашу галактику с нейтрино — это то, о чем мы мечтали, но это казалось недостижимым для нашего проекта в течение многих лет», — сказал соавтор исследования Чад Финли, доцент физики Стокгольмского университета и член команды IceCube, в заявлении. . «Что сделало этот результат возможным сегодня, так это революция в машинном обучении, которая позволяет нам гораздо глубже исследовать наши данные, чем раньше».

Некоторые из мест, отмеченных на изображении, также являются местом ранее наблюдаемых гамма-лучей, возникающих при столкновении космических лучей с галактическим газом и пылью. Считается, что такие взаимодействия также создают нейтрино, но определение конкретных источников нейтрино является ключевой задачей для будущих исследователей.

«В настоящее время измерен аналог нейтрино, что подтверждает то, что мы знаем о нашей галактике и источниках космических лучей», — сказал Склафани.

В погоне за космическими тайнами

Исследователи теперь полагают, увидев изображение, что взаимодействия космических лучей более интенсивны в галактическом центре.

Космические лучи, самые высокоэнергетические частицы во Вселенной, бомбардируют Землю излучением из космоса. Эти ионизирующие частицы в нашей атмосфере были впервые обнаружены более 100 лет назад, в 1912 году, физиком Виктором Гессом. Он определил, что они пришли из космоса.

По данным НАСА, космические лучи в основном состоят из протонов или атомных ядер, которые были отделены от атомов.

Но эти лучи озадачивают ученых с момента их открытия. Откуда они берутся и что создает и запускает их по вселенной? Нейтрино могли бы рассказать нам.

Теперь команда хочет исследовать конкретные источники нейтрино по всей галактике.

«Наблюдение за нашей собственной галактикой впервые с использованием частиц вместо света — это огромный шаг», — сказал Курахаши Нейлсон.

«По мере развития нейтринной астрономии мы получим новую линзу для наблюдения за Вселенной. Вот почему мы делаем то, что делаем. Увидеть то, чего никто никогда не видел, и понять то, чего мы не поняли».