Neutrinowa mapa odsłania tajemnice jądra Drogi Mlecznej
Neutrina to jedne z najbardziej ulotnych cząstek we Wszechświecie. Ponieważ są ultralekkie (do dziś nie znamy ich dokładnej masy) i nie posiadają ładunku elektrycznego, są ekstremalnie trudne do wykrycia.
Naukowcy opracowali jednak sprytne metody wychwytywania neutrin, szczególnie tych obdarzonych dużą energią – stosowane choćby w IceCube Neutrino Observatory. Ten działający na Antarktydzie detektor o objętości 1 km sześć. (to tyle, co 400 tys. basenów olimpijskich) to gigantyczny blok lodu upakowany detektorami energetycznego promieniowania, zanurzonych głęboko (aż do 3 kilometrów) w lodowcu.
Niechciany szum energetycznych cząstek
Dlaczego w ogóle warto łapać energetyczne neutrina? Odpowiedź wiąże się z tzw. promieniowaniem kosmicznym. To poruszające się z bardzo dużo prędkością cząstki (np. protony) posiadające ładunek elektryczny – zatem wrażliwe na pola magnetyczne. Gdy docierają do Ziemskiej atmosfery, często ich pochodzenie jest trudne do określenia, ponieważ wcześniej wchodzą w interakcje z polem magnetycznym w międzygwiezdnej przestrzeni (zresztą atmosfera też je dodatkowo rozprasza). Produktem ubocznym interakcji z otoczeniem są neutrina.
Rzadko przejmują się otoczeniem. W każdej sekundzie przez nasze ciała przelatuje ich ok. 100 bilionów, czyli milion milionów. Przenikają też oczywiście galaktyki, planety i gwiazdy. Niektóre z nich dotrą do IceCube i jeśli badaczom dopisze szczęście, kilka z neutrin wejdzie w reakcje z zamrożoną wodą, wywołując kaskadę energetycznego promieniowania.
Co ciekawe, detektor IceCube, mimo że umieszczony na samym czubku południowej półkuli ziemskiej, do tej pory nie był używany do badania tamtej części nieba. Najłatwiej bowiem analizować dane pochodzące z północnej: cząstki nadbiegające stamtąd muszą przemierzyć wnętrze naszej planety. Ten naturalny filtr sprawia, że do detektora docierają głównie neutrina. Niestety, południowa półkula jest dużo ciekawszym obszarem nieba do studiowania Galaktyki. Wszak to tam możemy obserwować centrum Drogi Mlecznej.
Z pomocą naukowcom skupionym wokół IceCube przyszły nowe techniki analizy danych, takie jak uczenie maszynowe. Umożliwiają one odseparowanie szumu energetycznych cząstek z ziemskiej atmosfery. Efektem jest pierwsza, jedyna w swoim rodzaju neutrinowa mapa Drogi Mlecznej, oparta na danych z 10 lat monitorowania neutrin na Antarktydzie. Mapa i jej analiza została opublikowana przez konsorcjum IceCube w czasopiśmie „Science”.
Laboratoria chemiczne chmur molekularnych
Naukowcy szukali powiązania jasnych punktów na mapie neutrin z konkretnymi obiektami na niebie, takimi jak pozostałości po supernowych – jednak nie znaleziono żadnych pewnych korelacji. Najjaśniej na mapie rozświetlają się za to centralne obszary Drogi Mlecznej. To niezwykle ciekawa informacja. Wygląda na to, że dochodzi tam do produkcji dużej ilości energetycznego promieniowania kosmicznego, którego efektem ubocznym są neutrina.
Centrum Galaktyki jest pełne gazu o dużej gęstości. Z obserwacji dostarczonych przez inne obserwatoria wiemy, że jest to aktywny obszar powstawania gwiazd, a niektóre tamtejsze chmury molekularne są miejscami najbardziej bogatymi w związki chemiczne spośród obserwowanych w kosmosie. Informacje z neutrinowej mapy pomogą nam lepiej zrozumieć szczególne warunki tam panujące. Wszak promieniowanie kosmiczne odgrywa kluczową rolę w modelach astrochemicznych i może być głównym źródłem energii w chmurach molekularnych, napędzającym reakcje chemiczne.
Neutrinowa mapa nieba jest unikatowa, bo nie została zbudowana na podstawie danych pochodzących z obserwacji światła – czyli naszego głównego źródła informacji o Wszechświecie. Po falach grawitacyjnych detekcja neutrin staje się kolejnym ważnym narzędziem astronomii wielu posłańców (multi-messenger astronomy).