Antarktika’daki bir gözlemevi tarafından toplanan veriler, nötrino parçacıkları merceğinden Samanyolu galaksisine ilişkin ilk görüşümüzü üretti. Galaksimizin farklı dalga boylarındaki ışık yerine bir parçacıkla “boyandığını” ilk kez görüyoruz.
Science dergisinde yayınlanan sonuç, araştırmacılara evrene yeni bir pencere açıyor. Nötrinoların kısmen, diğer maddelerle çarpışan kozmik ışınlar adı verilen yüksek enerjili yüklü parçacıklar tarafından üretildiği düşünülmektedir. Algılama ekipmanımızın sınırları nedeniyle, kozmik ışınlar hakkında hâlâ bilmediğimiz çok şey var. Bu nedenle nötrinolar, onları incelemenin başka bir yoludur.
Antik çağlardan beri, gece gökyüzünde gördüğümüz Samanyolu’nun Güneşimiz gibi yıldızlardan oluştuğu tahmin ediliyor. 18. yüzyılda, içeriden gözlemlediğimiz yassı bir yıldız levhası olduğu kabul edildi. Samanyolu’nun aslında bir galaksi ya da diğer yüz milyar galaksiden biri olan “ada evren” olduğunu öğrenmemizin üzerinden sadece 100 yıl geçti.
1923’te Amerikalı astronom Edwin Hubble, o zamanlar Andromeda “nebula” (dev bir toz ve gaz bulutu) olarak bilinen şeyde “Cepheid değişkeni” adı verilen bir titreşimli yıldız türü tanımladı. Henrietta Swan Leavitt’in önceki çalışması sayesinde bu, Dünya’dan Andromeda’ya olan mesafenin bir ölçüsünü sağladı.
Bu, Andromeda’nın bizimki gibi çok uzak bir galaksi olduğunu, uzun süredir devam eden bir tartışmayı çözdüğünü ve evrendeki yerimize dair fikrimizi tamamen değiştirdiğini gösterdi.
pencereleri açma
Ardından, gökyüzüne yeni astronomik pencereler açıldıkça, galaktik evimizi birçok farklı ışık dalga boyunda gördük — radyo dalgalarında, çeşitli kızılötesi bantlarda, X-ışınlarında ve gama-ışınlarında. Şimdi, kozmik meskenimizi, çok düşük kütleye sahip olan ve diğer maddelerle yalnızca çok zayıf bir şekilde etkileşime giren nötrino parçacıklarında görebiliriz – bu nedenle onlara “hayalet parçacıklar” takma adı verilir.
Nötrinolar, kozmik ışınlar yıldızlararası madde ile çarpıştığında galaksimizden yayılır. Bununla birlikte, nötrinolar ayrıca Güneş gibi yıldızlar, bazı patlayan yıldızlar veya süpernovalar ve muhtemelen evrende gözlemlediğimiz gama ışını patlamaları ve kuasarlar gibi çoğu yüksek enerjili fenomen tarafından da üretilir. Bu nedenle, galaksimizdeki son derece enerjik süreçlerin benzeri görülmemiş bir görüntüsünü sağlayabilirler – yalnızca ışığı kullanarak elde edemeyeceğimiz bir görüş.
Yeni çığır açan tespit, Güney Kutbu’nun altındaki Antarktika buz örtüsünün birkaç kilometre derinliğinde gömülü olan oldukça garip bir “teleskop” gerektiriyordu. IceCube Nötrino Gözlemevi, Cherenkov radyasyonu adı verilen bir enerji biçimini tespit etmek için devasa basınçlar altında ultra şeffaf buzun bir gigatonunu kullanır.
Bu zayıf radyasyon, buzda ışıktan daha hızlı hareket edebilen (ancak boşlukta değil) yüklü parçacıklar tarafından yayılır. Parçacıklar, galaksideki kozmik ışın çarpışmalarından gelen nötrinoların buzdaki atomlara çarpmasıyla yaratılır.
Kozmik ışınlar, birkaç ağır çekirdek ve elektronla birlikte esas olarak proton parçacıklarıdır (bunlar nötronlarla birlikte atom çekirdeğini oluşturur). Yaklaşık bir asır önce, bunların Dünya’ya her yönden aynı şekilde yağdığı keşfedildi. Seyahat yönleri yıldızlar arasındaki boşlukta var olan manyetik alanlar tarafından karıştırıldığı için henüz tüm kaynaklarını kesin olarak bilmiyoruz.
buzun derinliklerinde
Nötrinolar, Samanyolu’nun derinliklerinde kozmik ışın etkileşimlerinin benzersiz izleyicileri olarak işlev görebilir. Bununla birlikte, hayaletimsi parçacıklar, kozmik ışınlar Dünya atmosferine çarptığında da üretilir. Bu nedenle, IceCube verilerini kullanan araştırmacılar, “astrofiziksel” kaynaklı – dünya dışı kaynaklardan gelenler – ve atmosferimizdeki kozmik ışın çarpışmalarından yaratılanlar arasında ayrım yapmak için bir yola ihtiyaç duydular.
Araştırmacılar, buzda çağlayan adı verilen bir tür nötrino etkileşimine odaklandılar. Bunlar, kabaca küresel ışık sağanağıyla sonuçlanır ve araştırmacılara Samanyolu’ndan gelen astrofiziksel nötrinolara karşı daha iyi bir hassasiyet düzeyi sağlar. Bunun nedeni, bir kademelendirmenin, bir nötrinonun enerjisinin, yeniden yapılandırılması daha zor olsa da, diğer etkileşim türlerinden daha iyi ölçülmesini sağlamasıdır.
Gelişmiş makine öğrenimi teknikleri kullanılarak on yıllık IceCube verilerinin analizi, 500 gigaelektronvoltun (GeV) üzerinde bir enerjiye sahip yaklaşık 60.000 nötrino olayı ortaya çıkardı. Bunların sadece yaklaşık %7’si astrofizik kökenliydi, geri kalanı Dünya atmosferinde üretilen nötrinoların “arka plan” kaynağından kaynaklanıyordu.
Tüm nötrino olaylarının Dünya atmosferine çarpan kozmik ışınlardan kaynaklanabileceği hipotezi, 4.5 sigma olarak bilinen istatistiksel önem düzeyinde kesin olarak reddedildi. Başka bir deyişle, sonucumuzun şans eseri olma olasılığı yalnızca 150.000’de 1’dir.
Bu, parçacık fiziğinde bir keşif iddiasında bulunmak için geleneksel 5 sigma standardının biraz gerisinde kalıyor. Bununla birlikte, Samanyolu’ndan böyle bir emisyonun sağlam astrofiziksel gerekçelerle bekleniyor.
Deneyin yakında genişletilmesiyle – IceCube-Gen2 on kat daha büyük olacak – çok daha fazla nötrino olayı elde edeceğiz ve mevcut bulanık resim galaksimizin daha önce hiç sahip olmadığımız ayrıntılı bir görüntüsüne dönüşecek.