Primera imagen de la Vía Láctea capturada por científicos: Neutrinos detectados por IceCube.

29 de junio de 2023

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por Universidad de Wisconsin-Madison

Nuestra galaxia de la Vía Láctea es una característica impresionante del cielo nocturno, visible a simple vista como una banda brumosa de estrellas que se extiende de horizonte a horizonte. Ahora, por primera vez, el Observatorio de Neutrinos IceCube ha producido una imagen de la Vía Láctea utilizando neutrinos, diminutos mensajeros astronómicos de aspecto fantasmal. En un artículo que se publicará en la revista Science, la Colaboración IceCube, un grupo internacional de más de 350 científicos, presenta evidencia de emisión de neutrinos de alta energía desde la Vía Láctea.

Los neutrinos de alta energía, con energías millones a miles de millones de veces más altas que las producidas por las reacciones de fusión que alimentan a las estrellas, fueron detectados por el Observatorio de Neutrinos IceCube, un detector gigatónico que opera en la Estación Polo Sur Amundsen-Scott.

Este detector único en su tipo abarca un kilómetro cúbico de hielo antártico profundo instrumentado con más de 5,000 sensores de luz. IceCube busca señales de neutrinos de alta energía que se originan en nuestra galaxia y más allá, hasta los confines más lejanos del universo.

"Lo intrigante es que, a diferencia de la luz de cualquier longitud de onda, en neutrinos, el universo brilla más que las fuentes cercanas en nuestra propia galaxia", dice Francis Halzen, profesor de física en la Universidad de Wisconsin-Madison e investigador principal de IceCube.

"Como suele ser el caso, los avances significativos en la ciencia son posibles gracias a los avances en tecnología", dice Denise Caldwell, directora de la División de Física de la NSF. "Las capacidades proporcionadas por el detector IceCube altamente sensible, junto con nuevas herramientas de análisis de datos, nos han dado una visión completamente nueva de nuestra galaxia, una que solo se había insinuado anteriormente. A medida que estas capacidades sigan mejorando, podemos esperar ver cómo esta imagen emerge con una resolución cada vez mayor, revelando posiblemente características ocultas de nuestra galaxia nunca antes vistas por la humanidad."

Las interacciones entre los rayos cósmicos -protones de alta energía y núcleos más pesados, también producidos en nuestra galaxia- y el gas y el polvo galáctico inevitablemente producen tanto rayos gamma como neutrinos. Dado la observación de rayos gamma provenientes del plano galáctico, se esperaba que la Vía Láctea fuera una fuente de neutrinos de alta energía.

"Se ha medido un contraparte de neutrinos, confirmando así lo que sabemos sobre nuestra galaxia y las fuentes de rayos cósmicos", dice Steve Sclafani, estudiante de doctorado en física en la Universidad de Drexel, miembro de IceCube y co-analista principal.

La búsqueda se centró en el cielo del sur, donde se espera la mayor parte de la emisión de neutrinos proveniente del plano galáctico, cerca del centro de nuestra galaxia. Sin embargo, hasta ahora, el fondo de muones y neutrinos producidos por la interacción de los rayos cósmicos con la atmósfera terrestre planteaba desafíos significativos.

Para superarlos, los colaboradores de IceCube en la Universidad de Drexel desarrollaron análisis que seleccionan eventos de "cascada", es decir, interacciones de neutrinos en el hielo que resultan en chorros de luz aproximadamente esféricos. Debido a que la energía depositada por los eventos de cascada comienza dentro del volumen instrumentado, la contaminación de muones atmosféricos y neutrinos se reduce. En última instancia, la mayor pureza de los eventos de cascada proporcionó una mejor sensibilidad a los neutrinos astrofísicos del cielo del sur.

Sin embargo, el avance final vino de la implementación de métodos de aprendizaje automático, desarrollados por los colaboradores de IceCube en la Universidad de TU Dortmund, que mejoran la identificación de las cascadas producidas por los neutrinos, así como su dirección y reconstrucción de energía. La observación de neutrinos de la Vía Láctea es un hito del valor crítico emergente que el aprendizaje automático proporciona en el análisis de datos y la reconstrucción de eventos en IceCube.

"Los métodos mejorados nos permitieron retener más de un orden de magnitud más de eventos de neutrinos con una mejor reconstrucción angular, lo que resulta en un análisis tres veces más sensible que la búsqueda anterior", dice Mirco Hünnefeld, miembro de IceCube, estudiante de doctorado en física en TU Dortmund y co-analista principal.

El conjunto de datos utilizado en el estudio incluyó 60,000 neutrinos que abarcan 10 años de datos de IceCube, 30 veces más eventos que la selección utilizada en un análisis anterior del plano galáctico utilizando eventos de cascada. Estos neutrinos se compararon con mapas de predicción previamente publicados de ubicaciones en el cielo donde se esperaba que la galaxia brillara en neutrinos.

Los mapas incluyeron uno hecho a partir de la extrapolación de las observaciones de rayos gamma del Telescopio de Área Grande Fermi de la Vía Láctea y dos mapas alternativos identificados como KRA-gamma por el grupo de teóricos que los produjo.

'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