Unsere Milchstraße ist ein beeindruckendes Merkmal des Nachthimmels, das mit bloßem Auge als verschwommenes Sternenband von Horizont zu Horizont sichtbar ist. Jetzt hat das IceCube-Neutrino-Observatorium zum ersten Mal ein Bild der Milchstraße mithilfe von Neutrinos – winzigen, geisterhaften astronomischen Boten – erstellt. In einem Artikel, der in der Zeitschrift veröffentlicht werden soll WissenschaftDie IceCube Collaboration, eine internationale Gruppe von über 350 Wissenschaftlern, legt Beweise für die Emission hochenergetischer Neutrinos aus der Milchstraße vor.
Die hochenergetischen Neutrinos, deren Energien millionen- bis milliardenfach höher sind als die, die durch Fusionsreaktionen erzeugt werden, die Sterne antreiben, wurden vom IceCube-Neutrino-Observatorium entdeckt, einem Gigaton-Detektor, der an der Südpolstation Amundsen-Scott betrieben wird.
Dieser einzigartige Detektor umfasst einen Kubikkilometer tiefes antarktisches Eis und ist mit über 5.000 Lichtsensoren ausgestattet. IceCube sucht nach Anzeichen hochenergetischer Neutrinos, die aus unserer Galaxie und darüber hinaus bis in die entlegensten Winkel des Universums stammen.
„Das Faszinierende ist, dass das Universum bei Neutrinos, anders als bei Licht jeder Wellenlänge, die nahen Quellen in unserer eigenen Galaxie überstrahlt“, sagt Francis Halzen, Professor für Physik an der University of Wisconsin-Madison und Hauptforscher von IceCube .
„Wie so oft werden bedeutende Durchbrüche in der Wissenschaft durch Fortschritte in der Technologie ermöglicht“, sagt Denise Caldwell, Direktorin der Physikabteilung der NSF. „Die Fähigkeiten des hochempfindlichen IceCube-Detektors, gepaart mit neuen Datenanalysetools, haben uns einen völlig neuen Blick auf unsere Galaxie ermöglicht – einen, den wir bisher nur angedeutet hatten. Während diese Fähigkeiten weiter verfeinert werden, können wir nach vorne schauen.“ zu beobachten, wie dieses Bild mit immer größerer Auflösung entsteht und möglicherweise verborgene Merkmale unserer Galaxie enthüllt, die die Menschheit noch nie gesehen hat.“
Wechselwirkungen zwischen kosmischer Strahlung – hochenergetischen Protonen und schwereren Kernen, die auch in unserer Galaxie entstehen – und galaktischem Gas und Staub erzeugen zwangsläufig sowohl Gammastrahlen als auch Neutrinos. Aufgrund der Beobachtung von Gammastrahlen aus der galaktischen Ebene wurde erwartet, dass die Milchstraße eine Quelle hochenergetischer Neutrinos ist.
„Ein Neutrino-Gegenstück wurde jetzt gemessen und bestätigt damit, was wir über unsere Galaxie und die Quellen der kosmischen Strahlung wissen“, sagt Steve Sclafani, ein Physik-Doktorand. Student an der Drexel University, IceCube-Mitglied und Co-Lead-Analysator.
Die Suche konzentrierte sich auf den Südhimmel, wo der Großteil der Neutrino-Emission aus der galaktischen Ebene nahe dem Zentrum unserer Galaxie erwartet wird. Bisher stellte jedoch der Hintergrund von Myonen und Neutrinos, die durch Wechselwirkungen der kosmischen Strahlung mit der Erdatmosphäre entstehen, erhebliche Herausforderungen dar.
Um sie zu überwinden, haben IceCube-Mitarbeiter an der Drexel University Analysen entwickelt, die nach „Kaskaden“-Ereignissen oder Neutrino-Wechselwirkungen im Eis selektieren, die zu annähernd kugelförmigen Lichtschauern führen. Da die deponierte Energie aus Kaskadenereignissen innerhalb des instrumentierten Volumens beginnt, wird die Kontamination atmosphärischer Myonen und Neutrinos verringert. Letztendlich führte die höhere Reinheit der Kaskadenereignisse zu einer besseren Empfindlichkeit gegenüber astrophysikalischen Neutrinos vom Südhimmel.
Der endgültige Durchbruch gelang jedoch durch die Implementierung maschineller Lernmethoden, die von IceCube-Mitarbeitern an der TU Dortmund entwickelt wurden und die Identifizierung von durch Neutrinos erzeugten Kaskaden sowie deren Richtung und Energierekonstruktion verbessern. Die Beobachtung von Neutrinos aus der Milchstraße ist ein Kennzeichen des neuen entscheidenden Werts, den maschinelles Lernen bei der Datenanalyse und Ereignisrekonstruktion in IceCube bietet.
„Die verbesserten Methoden ermöglichten es uns, über eine Größenordnung mehr Neutrinoereignisse mit besserer Winkelrekonstruktion zu erfassen, was zu einer Analyse führte, die dreimal empfindlicher ist als die vorherige Suche“, sagt IceCube-Mitglied, Physik-Doktorand der TU Dortmund. Student und Co-Leiter Analysator Mirco Hünnefeld.
Der in der Studie verwendete Datensatz umfasste 60.000 Neutrinos aus 10 Jahren IceCube-Daten, 30-mal so viele Ereignisse wie die Auswahl, die in einer früheren Analyse der galaktischen Ebene mithilfe von Kaskadenereignissen verwendet wurde. Diese Neutrinos wurden mit zuvor veröffentlichten Vorhersagekarten von Orten am Himmel verglichen, an denen die Galaxie voraussichtlich in Neutrinos leuchten würde.
Zu den Karten gehörten eine Karte, die aus der Extrapolation von Gammastrahlenbeobachtungen der Milchstraße durch das Fermi Large Area Telescope erstellt wurde, und zwei alternative Karten, die von der Gruppe von Theoretikern, die sie erstellt hatten, als KRA-Gamma identifiziert wurden.
„Diese lang erwartete Entdeckung der Wechselwirkungen der kosmischen Strahlung in der Galaxie ist auch ein wunderbares Beispiel dafür, was erreicht werden kann, wenn moderne Methoden der Wissensentdeckung im maschinellen Lernen konsequent angewendet werden“, sagt Wolfgang Rhode, Professor für Physik an der TU Dortmund. IceCube-Mitglied und Hünnefelds Berater.
Die Leistungsfähigkeit des maschinellen Lernens bietet ein großes Zukunftspotenzial und rückt andere Beobachtungen näher in greifbare Nähe.
„Der starke Beweis dafür, dass die Milchstraße eine Quelle hochenergetischer Neutrinos ist, hat die strengen Tests der Zusammenarbeit überstanden“, sagt Ignacio Taboada, Professor für Physik am Georgia Institute of Technology und Sprecher von IceCube. „Der nächste Schritt besteht nun darin, bestimmte Quellen innerhalb der Galaxie zu identifizieren.“
Diese und weitere Fragen werden in geplanten Folgeanalysen von IceCube behandelt.
„Unsere eigene Galaxie zum ersten Mal mit Teilchen statt mit Licht zu beobachten, ist ein großer Schritt“, sagt Naoko Kurahashi Neilson, Professorin für Physik an der Drexel University, IceCube-Mitglied und Beraterin von Sclafani. „Mit der Weiterentwicklung der Neutrino-Astronomie werden wir eine neue Linse bekommen, mit der wir das Universum beobachten können.“
Mehr Informationen:
IceCube-Kollaboration, Beobachtung hochenergetischer Neutrinos aus der galaktischen Ebene, Wissenschaft (2023). DOI: 10.1126/science.adc9818. www.science.org/doi/10.1126/science.adc9818