Erstes 'Geistteilchen'-Bild der Milchstraßengalaxie von Wissenschaftlern erfasst: Neutrinos vom IceCube erkannt

29. Juni 2023

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von der University of Wisconsin-Madison

Unsere Milchstraße ist ein beeindruckendes Merkmal des Nachthimmels und kann mit bloßem Auge als ein bänderförmiges, sternefülltes Band von Horizont zu Horizont betrachtet werden. Jetzt hat das IceCube-Neutrino-Observatorium erstmals ein Bild der Milchstraße mit Hilfe von Neutrinos erzeugt - winzige, gespenstische astronomische Boten. In einem Artikel, der in der Zeitschrift Science veröffentlicht werden soll, präsentiert die IceCube Collaboration, eine internationale Gruppe von über 350 Wissenschaftlern, Belege für die Emission hochenergetischer Neutrinos aus der Milchstraße.

Die hochenergetischen Neutrinos mit Energien, die Millionen bis Milliarden Mal höher sind als die durch die Fusionsreaktionen erzeugten Energien, die Sterne antreiben, wurden vom IceCube Neutrino Observatory, einem Gigatonnen-Detektor, der am Amundsen-Scott-Südpolstation betrieben wird, entdeckt.

Dieser einzigartige Detektor umfasst einen Würfelkilometer tiefen antarktischen Eises, das mit über 5.000 Lichtsensoren instrumentiert ist. IceCube sucht nach Anzeichen von hochenergetischen Neutrinos, die aus unserer Galaxie und darüber hinaus bis in die entferntesten Bereiche des Universums stammen.

"Was faszinierend ist, ist, dass das Universum im Gegensatz zu Licht jeder Wellenlänge in Neutrinos die nahen Quellen in unserer eigenen Galaxie überstrahlt", sagt Francis Halzen, Professor für Physik an der University of Wisconsin–Madison und Hauptermittler von IceCube.

"Wie so oft ermöglichen bedeutende Durchbrüche in der Wissenschaft Fortschritte in der Technologie", sagt Denise Caldwell, Direktorin der Abteilung für Physik der NSF. "Die Möglichkeiten, die der hochsensible IceCube-Detektor in Verbindung mit neuen Datenanalysetools bietet, haben uns einen völlig neuen Blick auf unsere Galaxie eröffnet - einen Blick, der zuvor nur angedeutet worden war. Wenn diese Möglichkeiten weiter verfeinert werden, können wir uns darauf freuen, dieses Bild mit immer höherer Auflösung zu betrachten und möglicherweise verborgene Merkmale unserer Galaxie zu entdecken, die zuvor noch nie von der Menschheit gesehen wurden."

Da Wechselwirkungen zwischen kosmischen Strahlen - hochenergetische Protonen und schwerere Kerne, die ebenfalls in unserer Galaxie erzeugt werden - und galaktischem Gas und Staub zwangsläufig sowohl Gammastrahlen als auch Neutrinos erzeugen, wurde erwartet, dass die Milchstraße eine Quelle für hochenergetische Neutrinos ist.

"Ein Neutrinogegenstück wurde nun gemessen, was bestätigt, was wir über unsere Galaxie und kosmische Strahlenquellen wissen", sagt Steve Sclafani, Doktorand für Physik an der Drexel University, Mitglied von IceCube und Co-Leitender Analyst.

Die Suche konzentrierte sich auf den südlichen Himmel, wo die Mehrheit der Neutrinoemissionen von der galaktischen Ebene in der Nähe des Zentrums unserer Galaxie erwartet wurde. Bisher stellte die Kontamination durch Myonen und Neutrinos, die durch Wechselwirkungen von kosmischer Strahlung mit der Erdatmosphäre erzeugt wurden, erhebliche Herausforderungen dar.

Um diese zu überwinden, entwickelten die IceCube-Kollaborateure an der Drexel University Analysen, die auf 'Cascade'-Ereignisse, also Neutrino-Wechselwirkungen im Eis, die zu etwa kugelförmigen Lichtschauern führen, abzielen. Durch die Tatsache, dass die deponierte Energie der Kaskadenevents innerhalb des instrumentierten Volumens beginnt, wird die Kontamination durch atmosphärische Myonen und Neutrinos verringert. Letztendlich führte die höhere Reinheit der Kaskadenevents zu einer besseren Empfindlichkeit für astrophysikalische Neutrinos aus dem südlichen Himmel.

Der endgültige Durchbruch kam jedoch von der Implementierung von Methoden des maschinellen Lernens, die von IceCube-Kollaborateuren an der TU Dortmund entwickelt wurden und die Identifizierung von Kaskaden, die durch Neutrinos erzeugt werden, sowie deren Ausrichtung und Energierekonstruktion verbessern. Die Beobachtung von Neutrinos aus der Milchstraße ist ein deutlicher Hinweis auf den aufstrebenden kritischen Wert, den das maschinelle Lernen bei der Datenanalyse und Ereignisrekonstruktion in IceCube bietet.

"Die verbesserten Methoden ermöglichten es uns, über eine Größenordnung mehr Neutrinoveranstaltungen bei besserer Winkelrekonstruktion zu behalten, was zu einer Analyse führte, die dreimal empfindlicher ist als die vorherige Suche", sagt IceCube-Mitglied, TU Dortmund Physik-Doktorand und Co-Leitender Analyst 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 bei einer früheren Analyse der galaktischen Ebene unter Verwendung von Kaskadenevents verwendet wurde. Diese Neutrinos wurden mit zuvor veröffentlichten Vorhersagekarten von Standorten am Himmel verglichen, an denen erwartet wurde, dass die Galaxie in Neutrinos erstrahlt.

Die Karten umfassten eine Karte, die durch Extrapolation von Fermi-Large-Area-Teleskop-Gammastrahlenbeobachtungen der Milchstraße erstellt wurde, sowie zwei alternative Karten, die als KRA-Gamma von der Gruppe der Theoretiker identifiziert wurden, die sie erstellt haben.

'This long-awaited detection of cosmic ray-interactions in the galaxy is also a wonderful example of what can be achieved when modern methods of knowledge discovery in machine learning are consistently applied,' says Wolfgang Rhode, professor of physics at TU Dortmund University, IceCube member, and Hünnefeld's advisor.

The power of machine learning offers great future potential, bringing other observations closer within reach.

'The strong evidence for the Milky Way as a source of high-energy neutrinos has survived rigorous tests by the collaboration,' says Ignacio Taboada, a professor of physics at the Georgia Institute of Technology and IceCube spokesperson. 'Now the next step is to identify specific sources within the galaxy.'

These and other questions will be addressed in planned follow-up analyses by IceCube.

'Observing our own galaxy for the first time using particles instead of light is a huge step,' says Naoko Kurahashi Neilson, professor of physics at Drexel University, IceCube member, and Sclafani's advisor. 'As neutrino astronomy evolves, we will get a new lens with which to observe the universe.'

More information: IceCube Collaboration, Observation of high-energy neutrinos from the Galactic plane, Science (2023). DOI: 10.1126/science.adc9818. www.science.org/doi/10.1126/science.adc9818

Luigi Antonio Fusco, Galactic neutrinos in the Milky Way, Science (2023). DOI: 10.1126/science.adi6277 , www.science.org/doi/10.1126/science.adi6277

Journal information: Science

Provided by University of Wisconsin-Madison