Prima immagine della Via Lattea, catturata dagli scienziati: Neutrini rilevati da IceCube.

29 giugno 2023

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dall'Università del Wisconsin-Madison

La nostra galassia Via Lattea è un'emozionante caratteristica del cielo notturno, visibile ad occhio nudo come una fascia di stelle nebulosa da un orizzonte all'altro. Ora, per la prima volta, l'Osservatorio di Neutrini IceCube ha prodotto un'immagine della Via Lattea utilizzando i neutrini, degli invisibili messaggeri astronomici simili a fantasmi. In un articolo da pubblicare sulla rivista Science, l'IceCube Collaboration, un gruppo internazionale di oltre 350 scienziati, presenta prove di emissione di neutrini ad alta energia provenienti dalla Via Lattea.

I neutrini ad alta energia, con energie milioni o miliardi di volte superiori a quelle prodotte dalle reazioni di fusione che alimentano le stelle, sono stati rilevati dall'Osservatorio di Neutrini IceCube, un rivelatore gigantesco operante presso la Stazione Polare Amundsen-Scott, nel Polo Sud.

Questo rivelatore unico nel suo genere comprende un chilometro cubo di ghiaccio antartico profondostrumentato con oltre 5.000 sensori di luce. IceCube ricerca segni di neutrini ad alta energia originati dalla nostra galassia e oltre, fino ai confini estremi dell'universo.

"Ciò che è intrigante è che, a differenza del caso per la luce di qualsiasi lunghezza d'onda, nei neutrini, l'universo supera le fonti vicine nella nostra stessa galassia", afferma Francis Halzen, professore di fisica all'Università del Wisconsin-Madison e investigatore principale di IceCube.

"Come accade spesso, i significativi progressi nella scienza sono resi possibili dai progressi della tecnologia", afferma Denise Caldwell, direttore della Divisione di Fisica della NSF. "Le capacità fornite dal rivelatore IceCube ad alta sensibilità, insieme a nuovi strumenti di analisi dei dati, ci hanno dato una visione completamente nuova della nostra galassia, una visione che fino ad ora era solo accennata. Con il perfezionamento di queste capacità, possiamo guardare al futuro con l'attesa di vedere emergere questa immagine con una risoluzione sempre maggiore, rivelando potenzialmente caratteristiche nascoste della nostra galassia mai viste prima dall'umanità."

Le interazioni tra i raggi cosmici - protoni ad alta energia e nuclei più pesanti, prodotti anche nella nostra galassia -e il gas e la polvere galattici producono inevitabilmente sia raggi gamma sia neutrini. Dati gli osservazioni dei raggi gamma dal piano galattico, si pensava che la Via Lattea fosse una fonte di neutrini ad alta energia.

"È stato ora misurato un controparte nei neutrini, confermando così ciò che sappiamo sulla nostra galassia e sulle fonti di raggi cosmici", afferma Steve Sclafani, uno studente di dottorato in fisica presso l'Università di Drexel, membro di IceCube e co-lead analyzer.

La ricerca si è concentrata sul cielo meridionale, dove ci si attende la maggior parte dell'emissione di neutrini dal piano galattico vicino al centro della nostra galassia. Tuttavia, fino ad ora, il fondo di muoni e neutrini prodotti dalle interazioni dei raggi cosmici con l'atmosfera terrestre ha rappresentato sfide significative.

Per superarle, i collaboratori di IceCube presso l'Università di Drexel hanno sviluppato analisi che selezionano eventi "a cascata", o interazioni dei neutrini nel ghiaccio che producono piogge di luce approssimativamente sferiche. Poiché l'energia depositata dagli eventi a cascata inizia all'interno del volume strumentato, la contaminazione di muoni atmosferici e neutrini viene ridotta. Alla fine, la maggiore purezza degli eventi a cascata ha dato una migliore sensibilità ai neutrini astrofisici provenienti dal cielo meridionale.

Tuttavia, la svolta finale è giunta dall'implementazione di metodi di apprendimento automatico, sviluppati dai collaboratori di IceCube presso l'Università di TU Dortmund, che migliorano l'identificazione delle cascate prodotte dai neutrini così come la loro direzione e ricostruzione dell'energia. L'osservazione dei neutrini provenienti dalla Via Lattea rappresenta un punto di svolta per il valore critico emergente che l'apprendimento automatico fornisce nell'analisi dei dati e nella ricostruzione degli eventi in IceCube.

"I metodi migliorati ci hanno permesso di conservare oltre un ordine di grandezza in più eventi di neutrini con una migliore ricostruzione angolare, risultando in un'analisi tre volte più sensibile rispetto alla ricerca precedente", afferma Mirco Hünnefeld, membro di IceCube, studente di dottorato in fisica presso l'Università di TU Dortmund e co-lead analyzer.

L'insieme di dati utilizzato nello studio includeva 60.000 neutrini che coprivano 10 anni di dati di IceCube, 30 volte più eventi rispetto alla selezione utilizzata in una precedente analisi del piano galattico utilizzando eventi a cascata. Questi neutrini sono stati confrontati con mappe di previsione precedentemente pubblicate di luoghi nel cielo in cui si pensava che la galassia brillasse di neutrini.

Le mappe includevano una fatta estrapolando le osservazioni dei raggi gamma del Telescopio di Ampia Area Fermi della Via Lattea e due mappe alternative identificate come KRA-gamma dal gruppo di teorici che le ha prodotte.

'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