Den första neutrinobilden av Vintergatan

IceCube på sydpolen med Vintergatan i bakgrunden. Foto: Martin Wolf, IceCube/NSF

Genom historien har åsynen av Vintergatan inspirerat till vördnad, den är synlig med blotta ögat som ett disigt band av stjärnor som sträcker sig över himlavalvet. Nu har forskare inom det internationella samarbetet IceCube tagit fram en bild av Vintergatan med hjälp av neutriner – små spöklika partiklar som flyger fritt genom materien och rymden.

Neutrinoteleskop i isen på Sydpolen

Neutrinerna registrerades med hjälp av IceCube Neutrino Observatory, ett neutrinoteleskop byggt nere i isen på Sydpolen som övervakar 1 miljard ton av den antarktiska glaciären i sökandet efter de sällsynta neutrinokrockarna. Forskare vid universiteten i Stockholm och Uppsala har varit engagerade i IceCube under lång tid och varit involverade både i analysen av de data som hämtats in under tio år av observationer och i tolkningen av resultaten.

Chad Finley.
Foto: Sören Andersson

– Att se vår galax med hjälp av neutriner är något som vi har drömt om, men det verkade vara utom räckhåll för vårt projekt under många år framöver. Det som gjorde det här resultatet möjligt just nu är revolutionen inom maskininlärning, som gör att vi har kunnat utforska våra data mycket mer ingående än vad vi har kunnat göra tidigare, säger Chad Finley, docent vid Fysikum, Stockholms universitet, och en av de IceCube-forskare som har arbetat med studien.

Utmaning att förutsäga neutriner

Under förra seklet började astronomer studera Vintergatan i ljusets alla våglängder, från radiovågor till gammastrålar. Högenergetiska gammastrålar i vår galax tros huvudsakligen skapas när den kosmiska strålningen, högenergetiska protoner och atomkärnor, krockar med galaktisk gas och stoft. Denna process skulle också producera neutriner. Men stora osäkerheter i förekomsten av dessa krockar i olika delar av vår galax gjorde förutsägelser för neutriner till en utmaning.

Analysmetoden som har använts för de senaste resultaten utvecklades ursprungligen vid Stockholms universitet år 2017 av Jonathan Dumm, postdoktor vid Oskar Klein-centret.
– Han insåg att om det övre intervallet för dessa neutrinoförutsägelser var korrekt, så skulle händelserna nästan kunna upptäckas i de IceCube-data vi hade vid den tiden, säger Chad Finley.

Hjälp av artificiell intelligens

Vintergatan avbildad med synlig ljus respektive med neutriner. Foto: IceCube/NSF

Forskarna trodde dock att det skulle behövas många fler år av datainsamling för att verkligen kartlägga Vintergatans neutrinokonturer. IceCube-teleskopet registrerar miljarder händelser varje år, men endast en mycket liten bråkdel kan knytas till neutriner från rymden – en på hundra miljoner registrerade händelser. Att identifiera dessa neutrinohändelser är en svår uppgift, men genom att använda artificiell intelligens (så kallade Deep Neural Networks) har man lyckats göra det med 20 gånger högre effektivitet än tidigare.

– Tidigare upptäckter med IceCube har gällt neutrinostrålning från mycket större avstånd och det är verkligen spännande att vi nu kan kan skönja en neutrinobild av vår egen galax. Det öppnar för studier av ytterligare processer med hjälp av neutriner. Till att börja med gäller det att försöka identifiera objekt i Vintergatan som neutrinokällor. IceCube-Gen2, en uppgradering av IceCube som vi nu planerar för, skulle ge oss en väsentligt större känslighet för fortsatta studier av skeenden i galaxen, säger Klas Hultqvist, professor vid Fysikum, Stockholms universitet.

Läs artikeln Observation of High-Energy Neutrinos from the Galactic Plane i tidskriften Science.