Den första neutrinobilden av Vintergatan

För första gången har forskare tagit fram en bild av Vintergatan med hjälp av neutriner, som observerades med teleskopet IceCube i den antarktiska isen. Bilden antyder att den kosmiska strålningen oftare krockar med gas och stoft i Vintergatans centrala delar än vad man tidigare trott. Resultaten publiceras i en artikel i tidskriften Science.

Genom historien har åsynen av Vintergatan inspirerat till vördnad, den är synlig med blotta ögat som ett disigt band av stjärnor som sträcker sig över himlavalvet. Nu har forskare inom det internationella samarbetet IceCube tagit fram en bild av Vintergatan med hjälp av neutriner – små spöklika partiklar som flyger fritt genom materien och rymden.

Neutrinerna registrerades med hjälp av IceCube Neutrino Observatory, ett neutrinoteleskop byggt nere i isen på Sydpolen som övervakar 1 miljard ton av den antarktiska glaciären i sökandet efter de sällsynta neutrinokrockarna. Forskare vid universiteten i Stockholm och Uppsala har varit engagerade i IceCube under lång tid och varit involverade både i analysen av de data som hämtats in under tio år av observationer och i tolkningen av resultaten.

– Att se vår galax med hjälp av neutriner är något som vi har drömt om, men det verkade vara utom räckhåll för vårt projekt under många år framöver. Det som gjorde det här resultatet möjligt just nu är revolutionen inom maskininlärning, som gör att vi har kunnat utforska våra data mycket mer ingående än vad vi har kunnat göra tidigare, säger Chad Finley, docent vid Fysikum, Stockholms universitet, och en av de IceCube-forskare som har arbetat med studien.

Under förra seklet började astronomer studera Vintergatan i ljusets alla våglängder, från radiovågor till gammastrålar. Högenergetiska gammastrålar i vår galax tros huvudsakligen skapas när den kosmiska strålningen, högenergetiska protoner och atomkärnor, krockar med galaktisk gas och stoft. Denna process skulle också producera neutriner. Men stora osäkerheter i förekomsten av dessa krockar i olika delar av vår galax gjorde förutsägelser för neutriner till en utmaning.

Analysmetoden som har använts för de senaste resultaten utvecklades ursprungligen vid Stockholms universitet år 2017 av Jonathan Dumm, postdoktor vid Oskar Klein-centret.

– Han insåg att om det övre intervallet för dessa neutrinoförutsägelser var korrekt, så skulle händelserna nästan kunna upptäckas i de IceCube-data vi hade vid den tiden, säger Chad Finley.

Forskarna trodde dock att det skulle behövas många fler år av datainsamling för att verkligen kartlägga Vintergatans neutrinokonturer. IceCube-teleskopet registrerar miljarder händelser varje år, men endast en mycket liten bråkdel kan knytas till neutriner från rymden – en på hundra miljoner registrerade händelser. Att identifiera dessa neutrinohändelser är en svår uppgift, men genom att använda artificiell intelligens (så kallade Deep Neural Networks) har man lyckats göra det med 20 gånger högre effektivitet än tidigare.

– Högenergineutriner ger oss ett underbart nytt verktyg för att studera Vintergatan. Nästa steg är att identifiera neutrinokällorna, potentiellt platserna för acceleration av galaktisk kosmisk strålning till höga energier, säger Olga Botner, seniorprofessor i fysik vid Uppsala universitet.

– Om den planerade anläggningen IceCube-Gen2 förverkligas skulle den möjliggöra en djupare utforskning av det galaktiska planet och låta oss skilja mellan olika källor och mellan modeller för utbredning av kosmisk strålning, avslutar Olga Botner.

Mer information
Artikeln ”Observation of High-Energy Neutrinos from the Galactic Plane” publiceras i den vetenskapliga tidskriften Science.

Kontakt
Chad Finley, docent vid Fysikum, Stockholms universitet, cfinley@fysik.su.se, tfn 070 2295 361
Olga Botner, professor vid Institutionen för fysik och astronomi, Uppsala universitet, olga.botner@physics.uu.se, tfn 018-471 38 76

Fakta om IceCube
IceCube-samarbetet består av cirka 350 forskare vid 58 institutioner runt om i världen. Stockholms universitet och Uppsala universitet är ett par av de universitet som var med och grundade IceCube. IceCube Neutrino Observatory stöds av US National Science Foundation, samt Vetenskapsrådet och nationella finansiärer i andra medlemsländer.
Läs mer om IceCube