Невидимые нейтрино позволили увидеть нашу Галактику в таком виде, каком её не видел никто другой.
Наш Млечный Путь уже давно исследован вдоль и поперёк в самых разных диапазонах электромагнитного спектра, начиная от видимого излучения звёзд и заканчивая радиочастотами. Теперь же учёные показали всем нам совершенно иное представление Галактики, основанное на происхождении тысяч нейтрино, которые удалось зарегистрировать.
Дело тут в том, что нейтрино в науке считается невидимой частицей или частицей-призраком, так как присутствует в Млечном пути в больших количествах, но практически не взаимодействует с веществом и спокойно проходит сквозь Землю незамеченной. А изображение, основанное на нейтрино, уникально ещё и тем, что показывает не электромагнитный портрет нашей Галактики, а именно распределение самих частиц, то есть материи.
Этот прорывной результат достигнут учёными с помощью нейтринной обсерватории IceCube, расположенной на антарктической станции Амундсен-Скотт. Эта огромная обсерватория способна находить нейтрино, приходящие из космического пространства, благодаря тысячам детекторов, расположенным в пределах ледяного слоя объёмом в один кубический километр.
«Можно сказать так, что на текущий момент истории человечества мы стали первыми, кто смог увидеть нашу Галактику как-то иначе, нежели в электромагнитном диапазоне», – говорит Наоко Курахаши Нейльсон из Дрексельского университета. Именно она предложила инновационный метод вычислительного анализа, который использовался для генерации изображения.
«Как это часто бывает, важные прорывы в науке становятся возможны благодаря технологическому прогрессу. Возможности детектора IceCube совместно с новыми методами анализа данных позволили взглянуть на нашу Галактику под совершенно новым углом. А по мере улучшения этих технологий мы можем рассчитывать на получение изображений в ещё большем разрешении. Потенциально, мы даже можем увидеть некие особенности нашей Галактики, о которых человечество даже не подозревает», – Денис Калдвелл, руководитель Отдела физики в Национальном научном фонде (NSF).
«Удивительно в этом исследовании то, что, в отличие от света на любой длине волны, данные от вселенского нейтрино полностью засвечивают собой любые яркие источники даже в нашей Галактике», – Франциз Халзен, физик из Висконсинского университета в Мадисоне.
Поиск абсолютно невидимых нейтрино является очень тяжёлым мероприятием, а поиск места их возникновения является вообще непосильной задачей. Когда нейтрино взаимодействует со льдом под детектором IceCube, эти редкие события образуют слабые световые следы. Некоторые из этих следов имеют вполне понятное направление и точно указывают на область неба, из которого пришло нейтрино.
Другие события имеют куда меньшую направленность, а их взаимодействие со слоем льда образует каскады. Именно для вычисления их направления и был разработан алгоритм на основе машинного обучения, который сопоставил относительное положение, размер и энергию более шестидесяти тысяч каскадов, создаваемых нейтрино и зарегистрированных IceCube за последние десять лет.
Исследователи провели более двух лет в дотошной верификации их алгоритма, основываясь на искусственных данных симуляции взаимодействия нейтрино. Когда они, наконец, «скормили» этому алгоритму настоящие данные от IceCube, то внезапно получили проекцию в виде ярких пятен на Млечном пути, что соответствовало местам, из которых пришли нейтрино. А в свою очередь эти области соответствовали участкам, в которых наблюдались гамма-лучи как остаточное явление столкновения между космическим излучением и межзвёздным газом. Именно в таких местах, теоретически, должны были рождаться нейтрино.
Учёные обращают внимание на то, что большое количество астрономических открытий было совершено благодаря улучшению методов наблюдения Вселенной. К некогда революционным методам, таким как радио и инфракрасная астрономия, присоединился новый класс исследований, основанный на методах использования феномена гравитационных волн. Данные о Млечном пути, основанные на нейтрино, являются следующим шагом в этой последовательности. Наоко Нейльсон надеется, что нейтринная астрономия будет также общепризнанным методом исследования космического пространства, как и предшественники, потому что также сможет показать доселе неизвестные аспекты Вселенной.
