Naukowcy zrzeszeni w IceCube Collaboration przedstawili dowody na emisje z wnętrza naszej galaktyki wysokoenergetycznych neutrin – nieuchwytnych cząstek słabo oddziałujących z materią. Dane z IceCube Neutrino Observatory – detektora cząstek zlokalizowanego głęboko w lodzie Antarktydy – pozwoliły na stworzenie obrazu Drogi Mlecznej za pomocą tych cząstek.
IceCube Collaboration to międzynarodowy projekt zrzeszający ponad 350 naukowców z całego świata. Jego zadaniem jest badania neutrin za pomocą znajdującego się głęboko pod lodem Antarktydy detektora IceCube Neutrino Observatory. W najnowszej publikacji uczeni przedstawili dowody na emisję wysokoenergetycznych neutrin z Drogi Mlecznej. Dane te pozwoliły na stworzenie obrazu naszej galaktyki z wykorzystaniem właśnie neutrin.
Wyniki i opis badań ukazał się w czasopiśmie „Science: (DOI: 10.1126/science.adc9818).
Neutrina (obok fotonów) są najbardziej rozpowszechnionymi cząstkami we Wszechświecie. Jednak nie wiadomo o nich jednak zbyt wiele, bo są najbardziej nieuchwytnymi spośród znanych nam obecnie cząstek elementarnych. Do tego bardzo słabo oddziałują z materią. Na tyle słabo, że często określa się je mianem „cząstek-duchów”.
Neutrina mają niebywałą zdolność przenikania. Chociażby planeta taka jak Ziemia nie stanowi dla nich niemal żadnej przeszkody. Uczeni szacują, że przez jeden centymetr kwadratowy powierzchni naszej planety zwróconej ku Słońcu co sekundę przelatuje 65 miliardów neutrin. Cząstki te w ogromnej obfitości i w każdej sekundzie przeszywają nasze ciała, a my zwykle nie mamy o tym pojęcia.
Neutrina są neutralne elektrycznie, a zatem nie są odbijane przez kosmiczne pola magnetyczne podczas podróży w przestrzeni, co oznacza, że kierunek, z którego przybywają, wskazuje na ich rzeczywiste źródło. Pierwsze spekulacje dotyczące istnienia neutrin pojawiły się jeszcze w latach 30. ubiegłego wieku, jednak ich pierwsza eksperymentalna obserwacja nastąpiła niemal ćwierć wieku później.
Z biegiem badań odkryto, że istniejąc przynajmniej trzy rodzaje tych cząstek – neutrina elektronowe, mionowe i taonowe i każda z nich ma swój odpowiednik w świecie antymaterii, czyli każda ma swoją antycząstkę. Cząstki te nie mają ładunku elektrycznego i powstają w reakcjach jądrowych we wnętrzach gwiazd, a także w reaktorach na Ziemi.
Stosunkowo niedawno odkryto, że cząstki te oscylują, czyli nieustannie przekształcają się z jednego rodzaju w inny. Zjawisko to oznacza, że obserwowane neutrina muszą mieć pewną (choć bardzo małą) masę. Bez poznania masy neutrin nasze zrozumienie Wszechświata pozostanie niepełne. W badaniach sprzed roku naukowcy zdołali ustalić górny zakres masy neutrina. Mierząc rozkład energii elektronów uwalnianych podczas rozpadu beta trytu, fizycy ustalili, że neutrino ma masą nie większą niż 0,8 elektronowoltów (więcej na ten temat w tekście: Ile waży neutrino? Nowe pomiary wyznaczają górną granicę).
Badania wysokoenergetycznych neutrin nie tylko pomogą nam lepiej zrozumieć przebieg burzliwych zdarzeń nieustannie zachodzących na styku atmosfery ziemskiej z przestrzenią kosmiczną, lecz również rzucą więcej światła na naturę oddziaływań tych trudnych do detekcji cząstek.
Ale jak badać te nieuchwytne cząstki? Wykazanie ich obecności jest niezwykle skomplikowane, bo większość tych „cząstek-duchów” przenika przez całą Ziemię. Tylko w bardzo rzadkich przypadkach neutrino oddziałuje z otoczeniem. Bywa, że czasami wchodzi w interakcje z cząsteczkami wody, tworząc jako produkty uboczne cząstki zwane mionami, które można zaobserwować jako błyski światła wewnątrz czujników detektora. Na podstawie wzorców, które tworzą te błyski, naukowcy mogą zrekonstruować energię, a czasem i źródła neutrin.
Jednak żeby móc je obserwować, naukowcy potrzebowali naprawdę spokojnego miejsca. Warunki te spełnił detektor IceCube zlokalizowany w okolicy Bieguna Południowego. Detektor ten, prowadzony przez 49 instytucji naukowych z 14 krajów, za pomocą tysięcy fotopowielaczy monitoruje kilometr sześcienny lodu znajdujący się głęboko pod powierzchnią.
Fotopowielacze tropią subtelne błyski świetlne, inicjowane przez interakcję cząstek tworzących lód z neutrinami. Gigantyczny detektor składa się z ponad pięciu tysięcy takich czujników optycznych zawieszonych na 86 sznurkach, które zwisają w otworach wywierconych w lodzie Antarktydy. Głębokość otworów dochodzi nawet do 2,5 km..
IceCube wykrył wysokoenergetyczne neutrina, których energie są od milionów do miliardów razy wyższe niż te wytwarzane w reakcjach syntezy jądrowej gwiazd. - 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 z Uniwersytetu Wisconsin-Madison i główny badacz w IceCube.
- Jak to często bywa, znaczące przełomy w nauce są możliwe dzięki postępowi technologicznemu. Możliwości zapewniane przez bardzo czuły detektor IceCube, w połączeniu z nowymi narzędziami do analizy danych, dały nam zupełnie nowe spojrzenie na naszą galaktykę – takie, o którym wcześniej tylko wspominano. Ponieważ możliwości te są nadal udoskonalane, możemy spodziewać się, że ten obraz pojawi się w coraz większej rozdzielczości, potencjalnie ujawniając ukryte cechy naszej galaktyki, których ludzkość nigdy wcześniej nie widziała — zaznacza Denise Caldwell z National Science Foundation (NSF).
Dotychczasowe obserwacje wysokoenergetycznych neutrin pokazały, że w większości pochodzą one ze źródeł pozagalaktycznych, takich jak aktywne galaktyki daleko poza naszą. Z kolei obserwacje promieniowania gamma uwidoczniły jasne emisje z płaszczyzny Drogi Mlecznej. Uważa się, że promienie gamma i neutrina są wytwarzane przez te same procesy astrofizyczne, dlatego Droga Mleczna od dawna była spodziewanym miejscem emisji neutrin.
Jednak wcześniejsze poszukiwania sygnału neutrin z naszej galaktyki nie dostarczyły rozstrzygających dowodów. Poszukiwania te koncentrowały się na południowym niebie, gdzie spodziewana jest większość emisji neutrin z płaszczyzny galaktycznej w pobliżu centrum Drogi Mlecznej.
Przełomem okazało się wdrożenie metod uczenia maszynowego, opracowanych przez badaczy zrzeszonych w IceCube Collaboration oraz uczonych z Uniwersytetu Technicznego w Dortmundzie. Stosując nowe techniki na danych rejestrowanych przez ostatnie 10 lat przez detektor IceCube, naukowcy znaleźli pierwszy statystycznie solidny dowód na emisję neutrin z wewnętrznych części Drogi Mlecznej. Zdaniem naukowców detekcja ta jest dowodem na to, że Droga Mleczna jest źródłem wysokoenergetycznych neutrin a ich zaobserwowany nadmiar jest zgodny z rozkładem i oczekiwanymi interakcjami promieniowania kosmicznego w Galaktyce.
- Ulepszone metody pozwoliły nam zidentyfikować o ponad rząd wielkości więcej zdarzeń neutrinowych z lepszą rekonstrukcją kątową, co zaowocowało analizą, która jest trzykrotnie bardziej czuła niż poprzednie poszukiwania — mówi Mirco Hünnefeld z uczelni w Dortmundzie, również zaangażowany w prace IceCube.
Zbiór danych wykorzystany w badaniu obejmował 60 tys. neutrin, czyli około 30 razy więcej zdarzeń niż selekcja stosowana w poprzednich analizach. Te neutrina porównano z wcześniej opublikowanymi mapami, na których przedstawiono miejsca na niebie, gdzie galaktyka powinna „świecić” neutrinami. Na tej podstawie powstał fascynujący obraz przedstawiający źródła neutrin w całej naszej galaktyce.
Obraz pokazuje, że neutrina w przeważającej mierze powstają w regionach z wcześniej wykrytymi źródłami promieniowania gamma, potwierdzając wcześniejsze podejrzenia, że wiele neutrin wytwarzanych jest jako produkty uboczne promieni kosmicznych uderzających w pył i gaz międzygwiezdny.
- Obserwacja naszej własnej galaktyki po raz pierwszy przy użyciu cząstek zamiast światła to ogromny krok — mówi Naoko Kurahashi Neilson, profesor fizyki na Uniwersytecie Drexel. - Wraz z rozwojem astronomii neutrinowej otrzymamy nową soczewkę do obserwacji Wszechświata – dodaje.
- Zobaczenie naszej galaktyki za pomocą neutrin to coś, o czym marzyliśmy, ale przez wiele lat wydawało się to poza zasięgiem naszego projektu — mówi Chad Finley z Uniwersytetu Sztokholmskiego i jeden z członków zespołu IceCube. - Tym, co dziś umożliwiło osiągnięcie tego wyniku, jest rewolucja w uczeniu maszynowym, która pozwala nam badać nasze dane znacznie głębiej niż wcześniej - dodaje.
Źródło: IceCube Collaboration, University of Wisconsin-Madison, fot. IceCube Collaboration/U.S. National Science Foundation (Lily Le & Shawn Johnson)/ESO (S. Brunier)
