Composición artística de la Vía Láctea vista a través de una lente de neutrinos (azul). Crédito: Colaboración IceCube/Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. (Lily Le y Shawn Johnson)/ESO (S. Brunier)
Nuestra Vía Láctea es una característica impresionante del cielo nocturno, visible a simple vista como una banda nebulosa de estrellas que se extiende de horizonte a horizonte. Ahora, por primera vez, el Observatorio de Neutrinos IceCube ha creado una imagen de la Vía Láctea utilizando neutrinos, diminutos mensajeros astronómicos espirituales. En un artículo para ser publicado en una revista. CienciaLa Colaboración IceCube, un grupo internacional de más de 350 científicos, presenta evidencia de la emisión de neutrinos de alta energía de la Vía Láctea.
Los neutrinos de alta energía, cuyas energías son de millones a miles de millones de veces más altas que las producidas por las reacciones de fusión estelar, han sido detectados por el Observatorio de Neutrinos IceCube, un detector de gigatones que opera en la Estación Amundsen-Scott del Polo Sur.
Este detector único en su tipo cubre un kilómetro cúbico de hielo profundo de la Antártida, equipado con más de 5.000 sensores de luz. IceCube busca rastros de neutrinos de alta energía provenientes de nuestra galaxia y más allá, hasta los rincones más lejanos del universo.
“Es intrigante que, a diferencia de la luz de cualquier longitud de onda, el universo eclipsa las fuentes cercanas en nuestra propia galaxia en cuanto a neutrinos”, dice Francis Halzen, profesor de física en la Universidad de Wisconsin-Madison e investigador principal de IceCube.
“Como suele ser el caso, los avances en la ciencia son posibles gracias a los avances en la tecnología”, dice Denise Caldwell, directora del Departamento de Física de la NSF. “Las capacidades proporcionadas por el detector IceCube de alta sensibilidad, combinadas con nuevas herramientas de análisis de datos, nos han brindado una imagen completamente nueva de nuestra galaxia, una que solo se ha mencionado antes. A medida que se refinan estas capacidades, podemos mirar hacia adelante para ver cómo emerge esta imagen con una resolución cada vez mayor, lo que podría revelar características ocultas de nuestra galaxia que la humanidad nunca antes había visto”.
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 galácticos inevitablemente producen tanto rayos gamma como neutrinos. Según las observaciones de rayos gamma del plano galáctico, se suponía que la Vía Láctea era una fuente de neutrinos de alta energía.
Vista de neutrinos (mapa de cielo azul) frente a la visión de un artista de la Vía Láctea. Fuente: IceCube Collaboration/Science Communication Lab para CRC 1491
“Ya se ha medido el equivalente de neutrino, lo que confirma lo que sabemos sobre nuestra galaxia y las fuentes de los rayos cósmicos”, dice Steve Sclafani, doctor en física. estudiante de la Universidad de Drexel, miembro de IceCube y co-líder del analizador.
La búsqueda se centró en los cielos del sur, donde se esperan la mayoría de las emisiones de neutrinos 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 ha sido un gran desafío.
Para superarlos, los colaboradores de IceCube en la Universidad de Drexel han desarrollado análisis que seleccionan eventos “en cascada”, o interacciones de neutrinos, en el hielo que dan como resultado lluvias de luz más o menos esféricas. Dado que la energía depositada de los eventos en cascada comienza en el volumen instrumentado, se reduce la contaminación de los muones y neutrinos atmosféricos. En última instancia, la mayor pureza de los eventos en cascada resultó en una mejor sensibilidad a los neutrinos astrofísicos del cielo del sur.
Dos imágenes de la galaxia de la Vía Láctea. La parte superior fue capturada en luz visible, y la parte inferior es la primera capturada con neutrinos. Crédito: Colaboración IceCube/Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. (Lily Le y Shawn Johnson)/ESO (S. Brunier)
Sin embargo, el avance final fue la implementación de métodos de aprendizaje automático, desarrollados por colaboradores de IceCube en la Universidad TU de Dortmund, que mejoran la identificación de cascadas producidas por neutrinos y su dirección y reconstrucción energética. La observación de neutrinos de la Vía Láctea es un sello distintivo del valor crítico emergente que proporciona el aprendizaje automático en el análisis de datos y la reconstrucción de eventos en IceCube.
“Los métodos mejorados nos permitieron preservar más de un orden de magnitud de más eventos de neutrinos con una mejor reconstrucción angular, lo que resultó en un análisis que es tres veces más sensible que las búsquedas anteriores”, dice el miembro de IceCube, TU Dortmund PhD en Física. estudiante y co-líder del analizador Mirco Hünnefeld.
El conjunto de datos utilizado en el estudio incluyó 60.000 neutrinos de 10 años de datos de IceCube, 30 veces más eventos que la selección utilizada en el análisis anterior del plano galáctico utilizando eventos en cascada. Estos neutrinos se compararon con mapas de predicción publicados anteriormente de las ubicaciones en el cielo donde se pensaba que la galaxia brillaba con neutrinos.
Vista del laboratorio IceCube con un cielo nocturno estrellado que muestra la Vía Láctea y la aurora verde. Crédito: Yuya Makino, IceCube/NSF
Los mapas incluían uno extrapolado de las observaciones extrapoladas de rayos gamma de la Vía Láctea del Fermi Large Area Telescope, y dos mapas alternativos identificados como KRA-gamma por el grupo de teóricos que los produjeron.
“Esta detección tan esperada de una interacción de rayos cósmicos en una galaxia también es un gran ejemplo de lo que se puede lograr cuando los métodos modernos de descubrimiento de conocimiento en el aprendizaje automático se aplican de manera consistente”, dice Wolfgang Rhode, profesor de física en TU Dortmund, miembro de IceCube y Asesor de Hünnefeld.
El poder del aprendizaje automático ofrece un gran potencial para el futuro al acercar otras observaciones.
“La evidencia sólida de que la Vía Láctea es una fuente de neutrinos de alta energía ha sobrevivido a pruebas colaborativas rigurosas”, dice Ignacio Taboada, profesor de física en el Instituto de Tecnología de Georgia y portavoz de IceCube. “Ahora, el siguiente paso es identificar fuentes específicas en la galaxia”.
Estas y otras preguntas se abordarán en los estudios de seguimiento planificados de IceCube.
“Observar nuestra propia galaxia por primera vez usando partículas en lugar de luz es un gran paso”, dice Naoko Kurahashi Neilson, profesor de física en la Universidad de Drexel, miembro de IceCube y asesor de Sclafani. “Con el desarrollo de la astronomía de neutrinos, tendremos una nueva lente para observar el universo”.
Proporcionado por la Universidad de Wisconsin-Madison