Учените от IceCube създадоха първата карта на Млечния път, направена от материя, а не от светлина

Революционното изображение е направено чрез улавяне на неутрино, докато падали през обсерваторията за неутрино IceCube – гигантски детектор, заровен дълбоко в леда на Южния полюс.

Неутрино печелят призрачното си прозвище, защото техният несъществуващ електрически заряд и почти нулева маса означават, че те почти не взаимодействат с други видове материя. Като такива, неутриното летят направо през обикновена материя със скорост, близка до скоростта на светлината.

И все пак чрез забавяне на тези неутрино физиците най-накрая са проследили произхода на частиците на милиарди светлинни години до древни, катаклизмични звездни експлозии и сблъсъци на космически лъчи. Изследователите са публикували своите открития на 29 юни в списание Science.

„Възможностите, осигурени от високочувствителния детектор IceCube, съчетани с нови инструменти за анализ на данни, ни дадоха изцяло нов поглед върху нашата галактика – такъв, който само беше загатнат преди“, казва Дениз Колдуел, директор на отдела по физика на Американската национална научна фондация, която финансира изследването. „Тъй като тези възможности продължават да се усъвършенстват, с нетърпение очакваме да видим как тази картина се появява с непрекъснато нарастваща разделителна способност, потенциално разкривайки скрити характеристики на нашата галактика, които никога досега не са виждани от човечеството.“

Две изображения на Млечния път. Горната част е направена с видима светлина, а долната – с неутрино. IceCube Collaboration/U.S. National Science Foundation (Lily Le&Shawn Johnson)/ESO (S. Brunier)

Как се хващат призрачни частици

Всяка секунда около 100 милиарда неутрино преминават през всеки квадратен сантиметър от вашето тяло. Малките частици са навсякъде – произведени в ядрения огън на звездите, в огромни експлозии на свръхнови, от космически лъчи и радиоактивен разпад, както и в ускорителите на частици и ядрените реактори на Земята. Всъщност неутрино, които за първи път са открити в ядрен реактор през 1956 г., са на второ място след фотоните като най-разпространените субатомни частици във Вселената.

Въпреки повсеместното им разпространение, минималните взаимодействия на частиците без заряд и почти без маса с друга материя правят неутриното невероятно трудно за откриване. Много известни експерименти за откриване на неутрино са фиксирали постоянното бомбардиране на неутрино, изпратено до нас от Слънцето, но тази каскада също маскира неутрино от по-необичайни източници, като гигантски звездни експлозии, наречени свръхнови, и дъждове от частици, произведени от космически лъчи.

За да уловят неутриното, физиците на елементарните частици се обърнали към IceCube, разположен в станцията на Южния полюс Амундсен-Скот в Антарктида. Гигантският детектор се състои от повече от 5000 оптични сензора, разположени на 86 струни, които висят в дупки, пробити до 2,5 километра в антарктическия лед.

Въпреки че много неутрино преминават напълно безпрепятствено през Земята, те понякога взаимодействат с водни молекули, създавайки странични продукти от частици, наречени мюони, които могат да бъдат наблюдавани като светкавици в сензорите на детектора. От моделите, които правят тези светкавици, учените могат да реконструират енергията, а понякога и източниците на неутриното.

Намирането на началната точка на неутрино зависи от това колко ясно е записана неговата посока в детектора; някои имат много очевидни първоначални посоки, докато други произвеждат каскадни „размити топки от светлина“, които замъгляват техния произход, казва водещият автор Наоко Курахаши Нилсън, физик от университета Дрексел във Филаделфия.

Учените подали 60 000 открити каскади от неутрино, събрани в продължение на 10 години, в алгоритъм за машинно обучение, и изградили зашеметяваща картина: ефирно изображение със сини нюанси, показващо източниците на неутрино в цялата ни Галактика.

Картата показва, че неутрино се произвеждат преобладаващо в региони с по-рано открити високи нива на гама-лъчи, потвърждавайки старите подозрения, че много от призрачните частици са странични продукти на космическите лъчи, разбиващи се в междузвездния газ. Физиците били поразени от това откритие.

„Спомням си, че казах: „В този момент от човешката история ние сме първите, които виждат нашата Галактика в нещо различно от светлина“, казва Нилсън.

Точно както предишни революционни постижения като радиоастрономия, инфрачервена астрономия и откриване на гравитационни вълни, картографирането на неутрино ни дава напълно нов начин да надникнем във Вселената. Сега е време да видим какво ще открием.

Междувременно стана известно другото революционно откритие на учените, което се очакваше днес – първото фиксиране на дълги гравитационни вълни от свръхмасивни черни дупки.