اولین نمای کهکشان راه شیری از طریق عدسی ذرات نوترینو دیده شد

کشف پیشرفت جدید به یک “تلسکوپی” نسبتاً عجیب نیاز داشت که در عمق چندین کیلومتری در کلاهک یخی قطب جنوب، زیر قطب جنوب مدفون شده است. رصدخانه نوترینو IceCube از یک گیگاتن از یخ فوق‌العاده شفاف تحت فشارهای عظیم برای تشخیص نوعی انرژی به نام تابش چرنکوف استفاده می‌کند.

نوترینوها می‌توانند به‌عنوان ردیاب‌های منحصربه‌فرد برهمکنش‌های پرتوهای کیهانی در اعماق کهکشان راه شیری عمل کنند. با این حال، ذرات شبح مانند زمانی که پرتوهای کیهانی به جو زمین برخورد می کنند نیز تولید می شوند. بنابراین، محققانی که از داده‌های IceCube استفاده می‌کردند، به راهی برای تمایز بین نوترینوهای منشأ «اخترفیزیکی» – آنهایی که از منابع فرازمینی سرچشمه می‌گیرند – و نوترینوهایی که از برخورد پرتوهای کیهانی در جو ما ایجاد شده‌اند، نیاز داشتند.

در اعماق یخ

هنگامی که پرتوهای کیهانی با ماده بین ستاره ای برخورد می کنند، نوترینوها از کهکشان ما ساطع می شوند. با این حال، نوترینوها نیز توسط ستارگانی مانند خورشید، برخی از ستارگان در حال انفجار، یا ابرنواخترها و احتمالاً توسط بیشتر پدیده‌های پرانرژی که در جهان مشاهده می‌کنیم، مانند انفجارهای پرتو گاما و اختروش‌ها نیز تولید می‌شوند. از این رو، آن‌ها می‌توانند نمای بی‌سابقه‌ای از فرآیندهای بسیار پرانرژی در کهکشان ما به ما ارائه دهند – منظره‌ای که ما نمی‌توانیم تنها با استفاده از نور به آن دست پیدا کنیم.

تجزیه و تحلیل ده سال داده های IceCube با استفاده از تکنیک های پیشرفته یادگیری ماشینی، نزدیک به 60000 رویداد نوترینو با انرژی بالاتر از 500 گیگا الکترون ولت (GeV) را به دست آورد. از این تعداد، تنها حدود 7 درصد منشأ اخترفیزیکی داشتند و بقیه به دلیل منبع “پس زمینه” نوترینوهایی است که در جو زمین تولید می شوند.

پرتوهای کیهانی عمدتاً ذرات پروتون هستند (اینها هسته اتم را همراه با نوترون ها تشکیل می دهند)، همراه با چند هسته سنگین و الکترون. حدود یک قرن پیش، اینها کشف شد که از همه جهات به طور یکنواخت بر روی زمین می بارید. ما هنوز به طور قطعی همه منابع آنها را نمی دانیم، زیرا جهت حرکت آنها توسط میدان های مغناطیسی موجود در فضای بین ستارگان درهم می خورد.

باز کردن پنجره ها

متعاقباً، همانطور که پنجره های نجومی جدید به آسمان گشوده شده است، ما خانه کهکشانی خود را در طول موج های مختلف نور – در امواج رادیویی، در باندهای مادون قرمز مختلف، در اشعه ایکس و در پرتوهای گاما دیده ایم. اکنون، ما می‌توانیم محل زندگی کیهانی خود را در ذرات نوترینو ببینیم، که جرم بسیار کمی دارند و فقط با مواد دیگر برهمکنش بسیار ضعیفی دارند – از این رو لقب آنها به “ذرات روح” است.

در سال 1923، ستاره شناس آمریکایی، ادوین هابل، نوعی ستاره تپنده به نام “متغیر قیفاووس” را در جایی که در آن زمان “سحابی” آندرومدا (ابر غول پیکر از غبار و گاز) نامیده می شد، شناسایی کرد. به لطف کار قبلی هنریتا سوان لیویت، این اندازه گیری فاصله زمین تا آندرومدا را فراهم کرد.

داده های جمع آوری شده توسط رصدخانه ای در قطب جنوب اولین نمای ما از کهکشان راه شیری را از طریق عدسی ذرات نوترینو ایجاد کرده است. این اولین باری است که ما کهکشان خود را با یک ذره “نقاشی” می بینیم، نه در طول موج های مختلف نور.

این فرضیه که تمام رویدادهای نوترینو می تواند ناشی از برخورد پرتوهای کیهانی به جو زمین باشد، در سطحی از اهمیت آماری به نام 4.5 سیگما به طور قطعی رد شد. به عبارت دیگر، نتیجه ما فقط 1 در 150000 شانس دارد که تصادفی باشد.

با بزرگ‌تر شدن آزمایش آتی – IceCube-Gen2 ده برابر بزرگ‌تر خواهد شد – ما رویدادهای نوترینویی بیشتری را به دست خواهیم آورد و تصویر تار فعلی به نمای دقیق کهکشان ما تبدیل می‌شود، تصویری که قبلاً هرگز نداشته‌ایم.