Neutrinos bieten einen neuen Blick auf die Milchstraße.

Wissenschaftler haben das erste Bild der Milchstraße mit Neutrinos gemacht.

Die extrem massearmen subatomaren Teilchen haben keine elektrische Ladung und durchdringen leicht Gas, Staub und sogar Sterne auf ihrem Weg von den Orten, an denen sie entstehen, zu den hier auf der Erde befindlichen Detektoren. Hochenergetische Neutrinos durchqueren das gesamte Universum, aber woher sie kommen, ist normalerweise ein Rätsel.

Jetzt haben Forscher durch die Kombination von künstlicher Intelligenz und über einen Zeitraum von zehn Jahren gesammelten Daten mit dem IceCube-Detektor in der Antarktis erstmals Hinweise auf hochenergetische Neutrinos gefunden, die aus der Milchstraße stammen, und die Partikel auf ein Bild der galaktischen Ebene abgebildet. Es ist das erste Mal, dass unsere Galaxie mit etwas anderem als Licht abgebildet wurde.

In der Karte sind Vorschläge für spezifische Quellen hochenergetischer Neutrinos in der Milchstraße enthalten, die Überreste vergangener Supernova-Explosionen, die Kerne kollabierter supergroßer Sterne oder andere noch nicht identifizierte Objekte sein könnten, berichtet das Team in der Science vom 30. Juni. Aber weitere Untersuchungen sind erforderlich, um diese Art von Merkmalen in den Daten eindeutig herauszufiltern.

Bisher wurden nur wenige hochenergetische Neutrinos zu ihren potenziellen Entstehungsorten zurückverfolgt, alle außerhalb der Milchstraße. Dazu gehören zwei, die offenbar von schwarzen Löchern stammen, die ihre Begleitsterne zerreißt, und andere von einer hochaktiven Galaxie, die als Blazar bekannt ist (SN: 16.05.22, SN: 12.07.18).

"Wir sehen heutzutage ziemlich eindeutig Neutrinos sowohl aus der Galaxis als auch aus dem extragalaktischen Raum", sagt die Physikerin Kate Scholberg von der Duke University, die nicht an der Forschung beteiligt war. "Es gibt noch so viel mehr zu lernen, und es kann unheimlich interessant sein, herauszufinden, wie man das Universum mit Neutrinoaugen sieht."

Neutrinoastronomie könnte uns möglicherweise ermöglichen, entfernte Objekte auf eine Weise zu sehen, wie es kein anderes Teleskop kann. Das liegt daran, dass Neutrinos enorme Entfernungen im Raum ohne Absorption oder Ablenkung überqueren können. Röntgenstrahlen, Gammastrahlen, optisches Licht und die geladenen Teilchen, aus denen kosmische Strahlung besteht, können hingegen auf dem Weg abgelenkt oder absorbiert werden, was ihre Herkunft verschleiern kann.

Für den Physiker Naoko Kurahashi Neilson von der Drexel University in Philadelphia ist die von ihr und ihrem Team erstellte Karte der jüngste Beitrag zu einer Veränderung in der Neutrinowissenschaft. In der Vergangenheit haben Neutrino-Observatorien wie IceCube nicht die Art von Himmelsansichten geliefert, wie sie Teleskope mit optischem Licht, Röntgen- oder Gammastrahlen bieten.

"Als ich mich zum ersten Mal IceCube angeschlossen habe", sagt Kurahashi Neilson, "habe ich Luftanführungszeichen gemacht", wenn ich den Ausdruck Neutrinoastronomie verwendet habe. "Das mache ich jetzt nicht mehr... Ich muss das nicht mehr tun, weil wir anfangen, Dinge zu klären" in Neutrinobildern, die den astronomischen Bildern anderer Teleskope ähneln.

In diesen drei Ansichten ist die Milchstraße sichtbar im sichtbaren Licht (oben), in Gammastrahlen (Mitte) und in hochenergetischen Neutrinos (unten). Diese allererste kartenbasierte Abbildung basiert auf Daten, die mit dem riesigen IceCube-Detektor gesammelt wurden, der tief im antarktischen Eis eingebettet ist. Staub verdeckt Teile der sichtbaren Lichtkarte, und Gammastrahlen können von verschiedenen Quellen stammen. Neutrinos haben das Potenzial, Orte zu bestimmen, an denen hochenergetische kosmische Strahlen aus den Überresten von Supernovae, den Kernen kollabierter Sternriesen und anderen noch nicht identifizierten Quellen mit Staub in der Galaxie interagieren und dabei Neutrinos erzeugen.

Der Nachteil von Neutrinos ist, dass sie äußerst schwer nachzuweisen sind. Das IceCube-Experiment ist allein deshalb enorm, um diese Herausforderung zu bewältigen. Es besteht aus 5160 Sensoren in einem ein Kilometer auf einer Seite messenden kubischen Array, der tief im antarktischen Eis eingebettet ist. Die große Größe des Experiments erhöht die Chancen, einen winzigen Bruchteil der Neutrinos zu sehen, die durch den Weltraum von der Milchstraße und anderen Orten fliegen.

Von den etwa 100.000 Neutrinos, die die IceCube-Wissenschaftler jedes Jahr beobachten, hinterlassen einige lange Spuren im Detektor, die potenziell darauf hinweisen, woher die Neutrinos stammen. Viele der Neutrinoblitze in IceCube, jedoch, sind als Kaskadereignisse bekannt. Sie erzeugen Lichtblitze im Detektor, die jedoch nicht so gut wie Spuren die Herkunft der Neutrinos enthüllen.

"Das sind Daten, die wir in Bezug auf die Astronomie weggeworfen haben", sagt Kurahashi Neilson. Es gibt immer noch Informationen darüber, woher die Neutrinos in den Daten kommen. Aber es ist schwierig, die vielversprechenden Kaskaden in den Hunderttausenden von sinnlosen Ereignissen im Hintergrund zu identifizieren, die IceCube gesammelt hat.

Kurahashi Neilson beschloss, sich der Herausforderung zu stellen, indem sie ein Jahrzehnt an IceCube-Kaskadendaten mit Hilfe eines künstlichen Intelligenzsystems, bekannt als neuronales Netzwerk, durchforstet. "Man kann die neuronalen Netze trainieren, um zu identifizieren, welche Ereignisse es wert sind, behalten zu werden... [und] welche Ereignisse mehr wie Hintergrund aussehen", sagt Kurahashi Neilson.

It’s an approach Kurahashi Neilson pioneered in 2017 and steadily improved until she and her colleagues were able to identify the neutrinos used in the new map.

“It’s an impressive analysis and the techniques may well not yet be pushed to their limits,” Scholberg says. “Clearly a lot more work needs to be done, but it’s very exciting to see the basic expectation [of Milky Way neutrinos] verified. This is an important step forward in understanding of the high-energy particle sky.”