Do dzisiaj oglądaliśmy kosmos tylko w jeden sposób. Rejestrowaliśmy promieniowanie elektromagnetyczne o różnej długości fali – czyli najczęściej światło – napływające z różnych rejonów Wszechświata. Jednak to się właśnie zmieniło. W najnowszym numerze prestiżowego czasopisma „Science” ukazała się praca opisująca, jak naukowcy po raz pierwszy stworzyli obraz Drogi Mlecznej, wykorzystując neutrina. Czyli nie światło, ale cząstki materii.
– Obserwowanie naszej Galaktyki z pomocą cząstek to ogromny krok naprzód – powiedziała Naoko Kurahashi Neilson, fizyczka z Uniwersytetu Drexlera, członkini zespołu detektora IceCube. – W miarę jak rozwija się astronomia neutrin, zyskujemy nowe soczewki, przez które możemy przyglądać się kosmosowi – dodała.
Nieuchwytna cząstka – neutrino
Neutrino zwykło się nazywać nieuchwytną cząstką elementarną. Jego odkrywca, Wolfgang Ernst Pauli, domyślił się istnienia neutrina, badając rozpad beta, jeden z rodzajów rozpadu jądra atomowego. Dane eksperymentalne, jakie uzyskiwali naukowcy zajmujący się rozpadem beta około 100 lat temu, nie zgadzały się z teorią. By usunąć rozbieżności, Pauli zaproponował uwzględnienie w równaniach zupełnie nowej cząstki – właśnie neutrina.
Jednak, by wszystko się zgadzało, neutrino musiało mieć szczególne cechy: niezwykle małą masę i brak ładunku elektrycznego. Nie powinno też oddziaływać ze „zwykłą” materią. Pauli był nieco przestraszony swoim pomysłem. Uważał, że wymyślił cząstkę, której nigdy nie da się wykryć.
Na szczęście się pomylił. Na świecie od kilkudziesięciu lat powstają detektory, skutecznie wyłapujące nieuchwytne neutrina. Jednym z nich jest IceCube, działający na biegunie południowym.
IceCube – detektor na biegunie południowym
Ziemia – i każdy z nas – jest nieustająco bombardowana neutrinami. Szacuje się, że w każdej sekundzie przez centymetr kwadratowy powierzchni Ziemi przechodzi 60 mld neutrin, pochodzących z kosmosu.
Neutrina prawie nie reagują z materią, a więc swobodnie przenikają przez mgławice, planety, a nawet gwiazdy. Pochodzą z różnych źródeł: z dysków galaktycznych, z gwiazd, z blazarów, ale także z atmosfery ziemskiej. W atmosferze pojawiają się, gdy promieniowanie kosmiczne zderza się z cząsteczkami atmosfery.
W zależności od źródła, neutrina mają różną energię. M.in. to pozwala rozpoznać ich pochodzenie. Siedem lat temu po raz pierwszy zarejestrowano wysokoenergetyczne neutrino pochodzące z odległego blazara. Obserwacji dokonano z pomocą obserwatorium IceCube. Rok temu dzięki IceCube powiązano neutrina z galaktyką odległą od nas o 47 mln lat świetnych.
Obserwatorium IceCube / fot. IceCube Collaboration (Yuya Makino)/U.S. National Science Foundation
IceCube składa się z 5160 czujników światła, umieszczonych w 2,5-kilometrowych otworach wydrążonych w lodzie. Rejestrują one rozbłyski, które powstają, gdy neutrina uderzają w cząsteczki zamarzniętej wody. Średnio raz na kilka minut detektor rejestruje pojawienie się neutrina – jednak najczęściej są to neutrina atmosferyczne. Odsianie tych zdarzeń od innych – np. pozwalających tworzyć obraz Galaktyki – okazało się kluczowe przy stworzeniu neutrinowego obrazu Drogi Mlecznej.
Droga Mleczna złożona z neutrin
Posłużyły do tego dane zebrane przez IceCube w ciągu 10 lat. Naukowcy skupili się na tych zdarzeniach, w efekcie których w detektorze pojawiały się specyficzne kaskady świateł. Świetlne wzory powstające wewnątrz IceCube pozwalają określać, skąd nadleciały wywołujące je neutrina i jaką miały energię.
Pomocne przez analizowaniu ogromnej ilości danych okazało się uczenie maszynowe. Trzech badaczy z międzynarodowego konsorcjum naukowego zarządzającego IceCube wpierw opracowało algorytm AI. Następnie trenowało go przez dwa lata na symulowanych danych. Potem zaś dostarczyło mu prawdziwych danych. Program przetworzył je, generując obraz Drogi Mlecznej z wyróżnionymi obszarami, z których pochodziły neutrina.
Zgodnie z przewidywaniami teoretycznymi była to płaszczyzna Galaktyki, skąd pochodzi także promieniowanie gamma. Promieniowanie gamma powstaje w czasie kolizji promieniowania kosmicznego z gazem międzygwiezdnym. Produktem ubocznym takich zderzeń powinny być również neutrina. Dotychczas jednak z pomocą detektorów nie udało się wykryć neutrin z takiego źródła. Teraz teoria się potwierdziła i to dokładnie: zgodnie z przewidywaniami ogromna część zarejestrowanych neutrin pochodziła z centrum Drogi Mlecznej.
Astronomia neutrin
Już od kilku dekad naukowcy testują nowe metody badania kosmosu. Poza obserwacjami w świetle widzialnym i podczerwieni, prężnie rozwija się astronomia fal grawitacyjnych – ze wspaniałym osiągnięciem ogłoszonym dzisiaj, dotyczącym tła fal grawitacyjnych – a także astronomia neutrin. Każdy z tych sposobów dostarcza nowych informacji o Drodze Mlecznej i o Wszechświecie.
– Robimy to, by dostrzec rzeczy, których nikt wcześniej nie widział, i by zrozumieć to, czego dotychczas nie pojmowaliśmy – podsumowała Kurahashi Neilson. – Pamiętam, jak mówiłam „W tym momencie ludzkiej historii jesteśmy pierwszymi, którzy widzą Drogę Mleczną w czymś innym niż światło”.
Źródła: EurekAlert, Science.
