IceCube detecteert hoogenergetische neutrino’s vanuit het galactische vlak van de Melkweg
Waarnemingen van hoogenergetische astrofysische neutrino’s hebben aangetoond dat ze meestal afkomstig zijn van extragalactische bronnen, zoals actieve sterrenstelsels. Waarnemingen van gammastraling tonen echter heldere emissie van uit ons Melkwegstelsel, en astrofysische gammastraling en neutrino’s zullen naar verwachting door dezelfde fysische processen worden geproduceerd.
Het IceCube Neutrino Observatory – een kubieke kilometer deeltjes detector die diep in het Antarctische ijs is gebouwd – zocht naar neutrino-emissie vanuit de Melkweg en vond bewijs van extra neutrino’s die langs de galactische vlak werden uitgestoten, wat consistent is met de verdeling van gammastraling. De resultaten impliceren dat hoogenergetische neutrino’s kunnen worden gegenereerd door nabijgelegen bronnen in de Melkweg.
“Wat intrigerend is, is dat, in tegenstelling tot het geval voor licht van welke golflengte dan ook, in neutrino’s het universum de nabije bronnen in onze eigen Melkweg overtreft”, zegt professor Francis Halzen van de University of Wisconsin-Madison, hoofdonderzoeker van de IceCube Collaboration.
Interacties tussen kosmische straling – energierijke protonen en zwaardere kernen, ook geproduceerd in onze Melkweg – en galactisch gas en stof produceren onvermijdelijk zowel gammastraling als neutrino’s. Gezien de waarneming van gammastraling vanuit het galactische vlak werd verwacht dat de Melkweg een bron van hoogenergetische neutrino’s zou zijn.
Er is nu een neutrino-tegenhanger gemeten, waarmee astronomen hebben bevestigd wat ze weten over hun bronnen van de Melkweg en kosmische straling.
De zoektocht concentreerde zich op de zuidelijke hemel, waar het grootste deel van de neutrino-emissie van het galactische vlak nabij het centrum van de Melkweg wordt verwacht.
Tot nu toe vormde de achtergrond van muonen en neutrino’s geproduceerd door kosmische stralingsinteracties met de atmosfeer van de Aarde echter aanzienlijke uitdagingen.
Om ze te overwinnen ontwikkelde het IceCube-team analyses die selecteren op cascade-gebeurtenissen of neutrino-interacties in het ijs die resulteren in ongeveer bolvormige lichtbuien.
Omdat de gedeponeerde energie van cascade-gebeurtenissen binnen het geïnstrumenteerde volume begint, wordt verontreiniging door atmosferische muonen en neutrino’s verminderd.
Uiteindelijk gaf de hogere zuiverheid van de cascade-gebeurtenissen een betere gevoeligheid voor astrofysische neutrino’s uit de zuidelijke hemel.
De definitieve doorbraak kwam echter van de implementatie van machine learning-methodes die de identificatie van door neutrino’s geproduceerde cascades verbeteren, evenals hun richting en energieconstructie.
De waarneming van neutrino’s uit de Melkweg is een kenmerk van de opkomende kritische waarde die machine learning biedt bij data-analyse en reconstructie van gebeurtenissen in IceCube.
De verbeterde methodes stelden de onderzoekers in staat om meer neutrino-gebeurtenissen vast te houden met een betere hoekconstructie, resulterend in een analyse die drie keer gevoeliger is dan de vorige zoektocht.
De dataset omvatte 60.000 neutrino’s verspreid over 10 jaar IceCube-gegevens, 30 keer zoveel gebeurtenissen als de selectie die werd gebruikt in een eerdere analyse van het galactische vlak met behulp van cascadegebeurtenissen.
Deze neutrino’s warden vergeleken met eerder gepubliceerde voorspellingskaarten van locaties aan de hemel waar de Melkweg naar verwachting in neutrino’s zou schijnen.
De kaarten omvatten een kaart die was gemaakt op basis van extrapolerende Fermi Large Area Telescope-gammastralingswaarnemingen van de Melkweg en twee alternatieve kaarten die door de groep theoretici die ze produceerden als KRA-gamma werden geïdentificeerd.
Volgens de onderzoekers is deze langverwachte detectie van kosmische stralingsinteracties in de Melkweg ook een prachtig voorbeeld van wat kan worden bereikt wanneer moderne methoden voor het ontdekken van kennis in machine learning consequent worden toegepast.
De kracht van machine learning biedt een groot toekomstpotentieel, waardoor andere waarnemingen dichterbij komen.
De volgende stap in het onderzoek is het identificeren van specifieke bronnen binnen de Melkweg. Deze en andere vragen komen aan bod in geplande vervolganalyses door IceCube.
Het is volgens de onderzoekers een enorme stap om onze eigen Melkweg voor het eerst te observeren met behulp van deeltjes in plaats van licht. Naarmate de neutrino-astronomie evolueert zullen astronomen een nieuwe lens krijgen waarmee ze het heelal kunnen observeren.
De bevindingen zijn in het tijdschrift Science gepubliceerd.
Artikel: IceCube Collaboration. 2023. Observation of high-energy neutrinos from the Galactic plane. Science 380 (6652): 1338-1343; doi: 10.1126/science.adc9818
Eerste publicatie: 2 juli 2023
Bron: sci-news
