Bir nötrino merceğiyle (mavi) görülen bir sanatçının Samanyolu kompozisyonu. Kredi: IceCube İşbirliği/ABD Ulusal Bilim Vakfı (Lily Le & Shawn Johnson)/ESO (S. Brunier)
IceCube Nötrino Gözlemevi ilk kez bir görüntü oluşturdu. Samanyolu nötrinoları kullanarak – kozmosun küçücük, yakalanması zor parçacıkları. Bu devrim niteliğindeki veriler, 350’den fazla bilim insanının uluslararası işbirliğinden geliyor ve Ulusal Bilim Vakfı ve on dört ek ülke tarafından destekleniyor. Çığır açan gözlemevi Güney Kutbu’nda bulunuyor ve hem galaksimizden hem de ötesinden gelen yüksek enerjili nötrinoları tespit etmek için 5.000’den fazla ışık sensörü kullanıyor.
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 30 Haziran’da yayınlanan 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. Ulusal Bilim Vakfı (NSF) finansmanı ve IceCube Collaboration’ın kurumsal üyelerine ev sahipliği yapan on dört ülkenin ek desteği ile inşa edildi ve işletildi.
Bir sanatçının Samanyolu izleniminin önündeki nötrino görüntüsü (mavi gökyüzü haritası). Kredi: CRC 1491 için IceCube İşbirliği/Bilim İletişim Laboratuvarı
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 görüş sağladı. Bu yetenekler rafine edilmeye devam ettikçe, galaksimizin insanlık tarafından daha önce hiç görülmemiş gizli özelliklerini potansiyel olarak ortaya çıkaran bu resmin sürekli artan çözünürlükle ortaya çıkmasını dört gözle bekleyebiliriz.”
Samanyolu’nu ve yeşil auroraları gösteren yıldızlı bir gece gökyüzüne sahip IceCube Laboratuvarı’nın bir görünümü. Kredi bilgileri: Yuya Makino, IceCube/NSF
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.
Drexel Üniversitesi’nde fizik doktora öğrencisi, IceCube üyesi ve yardımcı analizci Steve Sclafani, “Şimdi bir nötrino muadili ölçüldü, böylece galaksimiz ve kozmik ışın kaynaklarımız hakkında bildiklerimizi doğruladı” diyor.
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.
Francis Halzen, IceCube PI ve UW–Madison’da profesör. Kredi bilgileri: EL PAIS/BERNARDO PÉREZ
Bunların üstesinden gelmek için, Drexel Üniversitesi’ndeki IceCube işbirlikçileri, kabaca küresel ışık sağanağıyla sonuçlanan buzdaki “kademeli” olayları veya 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, nihai atılım, uygulanmasından geldi. makine öğrenme TU Dortmund Üniversitesi’ndeki IceCube işbirlikçileri tarafından geliştirilen, nötrinolar tarafından üretilen kaskadların tanımlanmasının yanı sıra bunların yönü ve enerji yeniden yapılandırmasını iyileştiren yöntemler. Nötrinoların Samanyolu’ndan gözlemlenmesi, makine öğreniminin IceCube’de veri analizi ve olay yeniden yapılandırmasında sağladığı kritik değerin ayırt edici özelliğidir.
TU Dortmund fizik doktora öğrencisi IceCube üyesi, “Geliştirilmiş yöntemler, daha iyi açısal rekonstrüksiyonla çok daha fazla nötrino olayını tutmamıza izin verdi ve bu da önceki aramaya göre üç kat daha hassas bir analizle sonuçlandı” diyor. baş 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.”
Referans: “Galaktik düzlemden yüksek enerjili nötrinoların gözlemlenmesi”, IceCube Collaboration, 29 Haziran 2023, Bilim.
DOI: 10.1126/science.adc9818