Bilim adamları tarafından yakalanan Samanyolu galaksisinin ilk ‘hayalet parçacık’ görüntüsü: IceCube tarafından tespit edilen nötrinolar

Samanyolu galaksimiz, ufuktan ufka puslu bir yıldız grubu olarak çıplak gözle görülebilen, gece gökyüzünün hayranlık uyandıran bir özelliğidir. Şimdi, ilk kez, IceCube Nötrino Gözlemevi, nötrinoları (küçük, hayalet benzeri astronomik haberciler) kullanarak Samanyolu’nun bir görüntüsünü üretti. Dergide yayınlanacak bir makalede Bilim350’den fazla bilim insanından oluşan uluslararası bir grup olan IceCube İşbirliği, Samanyolu’ndan yüksek enerjili nötrino emisyonunun kanıtlarını sunuyor.

Güç yıldızlarının füzyon reaksiyonları tarafından üretilenlerden milyonlarca ila milyarlarca kat daha yüksek enerjilere sahip yüksek enerjili nötrinolar, Amundsen-Scott Güney Kutbu İstasyonunda çalışan bir gigaton detektörü olan IceCube Nötrino Gözlemevi tarafından tespit edildi.

Bu türünün tek örneği dedektör, 5.000’den fazla ışık sensörüyle donatılmış bir kilometreküplük derin Antarktika buzunu kapsar. IceCube, galaksimizden ve ötesinden, evrenin en uzak köşelerine kadar uzanan yüksek enerjili nötrinoların işaretlerini arar.

Wisconsin-Madison Üniversitesi’nde fizik profesörü ve IceCube’ün baş araştırmacısı Francis Halzen, “İlginç olan şey, nötrinolardaki herhangi bir dalga boyundaki ışığın aksine, evrenin kendi galaksimizdeki yakın kaynakları gölgede bırakmasıdır” diyor. .

NSF’nin Fizik Bölümü yöneticisi Denise Caldwell, “Çoğu zaman olduğu gibi, bilimdeki önemli atılımlar teknolojideki ilerlemelerle mümkün oluyor” diyor. “Son derece hassas IceCube dedektörünün sağladığı yetenekler, yeni veri analiz araçlarıyla birleştiğinde, bize galaksimiz hakkında daha önce yalnızca ima edilen tamamen yeni bir bakış açısı sağladı. Bu yetenekler geliştirilmeye devam ettikçe ileriye bakabiliriz. galaksimizin insanlık tarafından daha önce hiç görülmemiş gizli özelliklerini potansiyel olarak açığa çıkaran bu resmin giderek artan bir çözünürlükle ortaya çıkmasını izlemek.”

Kozmik ışınlar (yine galaksimizde üretilen yüksek enerjili protonlar ve daha ağır çekirdekler) ile galaktik gaz ve toz arasındaki etkileşimler kaçınılmaz olarak hem gama ışınlarını hem de nötrinoları üretir. Gama ışınlarının galaktik düzlemden gözlemlenmesi göz önüne alındığında, Samanyolu’nun yüksek enerjili nötrino kaynağı olması bekleniyordu.

Fizik Ph.D. Drexel University’de öğrenci, IceCube üyesi ve yardımcı analizci.

Arama, galaktik düzlemden gelen nötrino emisyonunun büyük kısmının galaksimizin merkezine yakın olması beklenen güney gökyüzüne odaklandı. Bununla birlikte, şimdiye kadar, Dünya atmosferi ile kozmik ışın etkileşimleri tarafından üretilen müonların ve nötrinoların arka planı önemli zorluklar ortaya çıkardı.

Bunların üstesinden gelmek için, Drexel Üniversitesi’ndeki IceCube işbirlikçileri, kabaca küresel ışık sağanağıyla sonuçlanan “kademeli” olayları veya buzdaki nötrino etkileşimlerini seçen analizler geliştirdiler. Kademeli olaylardan biriken enerji aletli hacim içinde başladığından, atmosferik müonların ve nötrinoların kirlenmesi azalır. Sonuç olarak, art arda gelen olayların daha yüksek saflığı, güney gökyüzünden gelen astrofiziksel nötrinolara karşı daha iyi bir hassasiyet sağladı.

Ancak son atılım, TU Dortmund Üniversitesi’ndeki IceCube işbirlikçileri tarafından geliştirilen ve nötrinolar tarafından üretilen kaskadların yanı sıra bunların yönünü ve enerji yeniden yapılandırmasını iyileştiren makine öğrenimi yöntemlerinin uygulanmasından geldi. Nötrinoların Samanyolu’ndan gözlemlenmesi, makine öğreniminin IceCube’de veri analizi ve olay yeniden yapılandırmasında sağladığı kritik değerin ayırt edici özelliğidir.

TU Dortmund fizik Ph.D. öğrenci ve yardımcı analizci Mirco Hünnefeld.

Çalışmada kullanılan veri seti, 10 yıllık IceCube verilerini kapsayan 60.000 nötrino içeriyordu; bu, kademeli olayları kullanan galaktik düzlemin önceki bir analizinde kullanılan seçimin 30 katı kadar olaydı. Bu nötrinolar, galaksinin nötrinolarda parlamasının beklendiği gökyüzündeki yerlerin önceden yayınlanmış tahmin haritalarıyla karşılaştırıldı.

Haritalar, Samanyolu’nun Fermi Geniş Alan Teleskobu gama ışını gözlemlerinden elde edilen bir tane ve onları üreten teorisyenler grubu tarafından KRA-gama olarak tanımlanan iki alternatif haritayı içeriyordu.

TU Dortmund Üniversitesi’nde fizik profesörü olan Wolfgang Rhode, “Galaksideki kozmik ışın etkileşimlerinin bu uzun zamandır beklenen tespiti, makine öğreniminde modern bilgi keşfi yöntemleri tutarlı bir şekilde uygulandığında neler başarılabileceğinin harika bir örneğidir” diyor. IceCube üyesi ve Hünnefeld’in danışmanı.

Makine öğreniminin gücü, diğer gözlemleri daha da yakınlaştırarak büyük bir gelecek potansiyeli sunar.

Georgia Institute of Technology’de fizik profesörü ve IceCube sözcüsü Ignacio Taboada, “Samanyolu’nun yüksek enerjili nötrinoların kaynağı olduğuna dair güçlü kanıtlar, işbirliğiyle yapılan zorlu testlerden sağ çıktı” diyor. “Şimdi bir sonraki adım, galaksideki belirli kaynakları belirlemek.”

Bu ve diğer sorular, IceCube tarafından planlanan takip analizlerinde ele alınacaktır.

Drexel Üniversitesi’nde fizik profesörü, IceCube üyesi ve Sclafani’nin danışmanı Naoko Kurahashi Neilson, “Işık yerine parçacıkları kullanarak kendi galaksimizi ilk kez gözlemlemek çok büyük bir adım” diyor. “Nötrino astronomisi geliştikçe, evreni gözlemlemek için yeni bir mercek elde edeceğiz.”