Nuestra galaxia, la Vía Láctea, es una impresionante característica del cielo nocturno, visible a simple vista como una nebulosa banda de estrellas de horizonte a horizonte. Ahora, por primera vez, el Observatorio de Neutrinos IceCube ha producido una imagen de la Vía Láctea utilizando neutrinos, pequeños mensajeros astronómicos fantasmales. En un artículo que se publicará en la revista Science, IceCube Collaboration, un grupo internacional de más de 350 científicos, presenta evidencia de la emisión de neutrinos de alta energía de la Vía Láctea.
Los neutrinos de alta energía, con energías de millones a miles de millones de veces más altas que las producidas por las reacciones de fusión que alimentan las estrellas, fueron detectados por el Observatorio de Neutrinos IceCube, un detector de gigatones que opera en la Estación Amundsen-Scott del Polo Sur.
Este detector único en su tipo abarca un kilómetro cúbico de hielo antártico profundo equipado con más de 5.000 sensores de luz. IceCube busca signos de neutrinos de alta energía que se originen en nuestra galaxia y más allá, hasta los confines más lejanos del universo.
“Lo intrigante es que, a diferencia del caso de la luz de cualquier longitud de onda, en los neutrinos, el universo eclipsa las fuentes cercanas en nuestra propia galaxia”, dice Francis Halzen, profesor de física en la Universidad de Wisconsin-Madison e investigador principal de IceCube. .
“Como suele ser el caso, los avances en la ciencia permiten importantes avances en la ciencia”, dice Denise Caldwell, directora de la División de Física de la NSF. “Las capacidades proporcionadas por el detector IceCube altamente sensible, junto con las nuevas herramientas de análisis de datos, nos han brindado una visión completamente nueva de nuestra galaxia, una que solo se había insinuado antes. A medida que estas capacidades continúan refinándose, podemos mirar hacia adelante. para ver esta imagen emerger con una resolución cada vez mayor, potencialmente revelando características ocultas de nuestra galaxia nunca antes vistas por la humanidad”.
Las interacciones entre los rayos cósmicos (protones de alta energía y núcleos más pesados, también producidos en nuestra galaxia) y el gas y el polvo galácticos inevitablemente producen tanto rayos gamma como neutrinos. Dada la observación de rayos gamma desde el plano galáctico, se esperaba que la Vía Láctea fuera una fuente de neutrinos de alta energía.
“Ahora se ha medido una contraparte de neutrinos, lo que confirma lo que sabemos sobre nuestra galaxia y las fuentes de rayos cósmicos”, dice Steve Sclafani, Ph.D. en física. estudiante de la Universidad de Drexel, miembro de IceCube y coanalizador principal.
La búsqueda se centró en el cielo del Sur, donde se espera la mayor parte de la emisión de neutrinos del plano galáctico cerca del centro de nuestra galaxia. Sin embargo, hasta ahora, el trasfondo de muones y neutrinos producidos por las interacciones de los rayos cósmicos con la atmósfera terrestre planteaba importantes desafíos.
Para superarlos, los colaboradores de IceCube en la Universidad de Drexel desarrollaron análisis que seleccionan eventos de “cascada”, o interacciones de neutrinos en el hielo que dan como resultado lluvias de luz más o menos esféricas. Debido a que la energía depositada de los eventos en cascada comienza dentro del volumen instrumentado, se reduce la contaminación de los muones y neutrinos atmosféricos. En última instancia, la mayor pureza de los eventos en cascada dio una mejor sensibilidad a los neutrinos astrofísicos del cielo del sur.
Sin embargo, el avance final provino de la implementación de métodos de aprendizaje automático, desarrollados por colaboradores de IceCube en la Universidad TU de Dortmund, que mejoran la identificación de cascadas producidas por neutrinos, así como su dirección y reconstrucción energética. La observación de neutrinos de la Vía Láctea es un sello distintivo del valor crítico emergente que proporciona el aprendizaje automático en el análisis de datos y la reconstrucción de eventos en IceCube.
“Los métodos mejorados nos permitieron retener en un orden de magnitud más eventos de neutrinos con una mejor reconstrucción angular, lo que resultó en un análisis que es tres veces más sensible que la búsqueda anterior”, dice el miembro de IceCube, Ph.D. en física de TU Dortmund. estudiante y co-analizador principal Mirco Hünnefeld.
El conjunto de datos utilizado en el estudio incluyó 60.000 neutrinos que abarcan 10 años de datos de IceCube, 30 veces más eventos que la selección utilizada en un análisis anterior del plano galáctico utilizando eventos en cascada. Estos neutrinos se compararon con mapas de predicción publicados previamente de ubicaciones en el cielo donde se esperaba que la galaxia brillara en neutrinos.
Los mapas incluían uno hecho a partir de la extrapolación de las observaciones de rayos gamma del Telescopio de Área Grande Fermi de la Vía Láctea y dos mapas alternativos identificados como KRA-gamma por el grupo de teóricos que los produjeron.
“Esta tan esperada detección de interacciones de rayos cósmicos en la galaxia también es un maravilloso ejemplo de lo que se puede lograr cuando se aplican de manera consistente los métodos modernos de descubrimiento de conocimiento en el aprendizaje automático”, dice Wolfgang Rhode, profesor de física en la Universidad TU de Dortmund. Miembro de IceCube y asesor de Hünnefeld.
El poder del aprendizaje automático ofrece un gran potencial futuro, acercando otras observaciones al alcance.
“La fuerte evidencia de la Vía Láctea como fuente de neutrinos de alta energía ha sobrevivido a pruebas rigurosas realizadas por la colaboración”, dice Ignacio Taboada, profesor de física en el Instituto de Tecnología de Georgia y portavoz de IceCube. “Ahora, el siguiente paso es identificar fuentes específicas dentro de la galaxia”.
Estas y otras preguntas se abordarán en los análisis de seguimiento planificados por IceCube.
“Observar nuestra propia galaxia por primera vez usando partículas en lugar de luz es un gran paso”, dice Naoko Kurahashi Neilson, profesor de física en la Universidad de Drexel, miembro de IceCube y asesor de Sclafani. “A medida que evolucione la astronomía de neutrinos, obtendremos una nueva lente con la que observar el universo”.
Con información de Phys.org
