科学家绘制了首张由中微子成像的银河系图像

原创 哈尔鲍曼9000 科学剃刀

用中微子透镜（蓝色）看到的银河系的艺术家构图。图片来源：IceCube Collaboration/美国国家科学基金会（Lily Le&Shawn Johnson）/ESO（S. Brunier）

我们的银河系是夜空的一个令人敬畏的特征，肉眼可以看到一个地平线到地平线的朦胧星带。现在，冰立方中微子天文台首次使用中微子（微小的幽灵状天文信使）制作了银河系的图像。在即将发表在《科学》杂志上的一篇文章中，由350多名科学家组成的国际组织IceCube合作组织提出了银河系高能中微子发射的证据。

高能中微子的能量比为恒星提供动力的聚变反应产生的能量高出数百万到数十亿倍，是由IceCube中微子天文台探测到的，这是一个在阿蒙森 - 斯科特南极站运行的千兆吨级探测器。

这个独一无二的探测器包括一立方公里的南极深冰，仪器仪表超过5，000个光传感器。IceCube寻找来自我们银河系及其他地区的高能中微子的迹象，这些中微子一直延伸到宇宙的最远端。

“有趣的是，与任何波长的光不同，在中微子中，宇宙的亮度超过了我们银河系中的附近光源，”威斯康星大学麦迪逊分校物理学教授兼IceCube首席研究员弗朗西斯·哈尔岑（Francis Halzen）说。

“通常情况下，科学的重大突破是由技术进步实现的，”NSF物理部主任Denise Caldwell说。“高灵敏度的IceCube探测器提供的功能，加上新的数据分析工具，为我们提供了一个全新的银河系视图 - 一个以前只被暗示过的观点。随着这些功能的不断完善，我们可以期待看到这张照片以不断提高的分辨率出现，有可能揭示我们银河系中人类从未见过的隐藏特征。

宇宙射线之间的相互作用 - 高能质子和更重的原子核，也在我们的银河系中产生 - 以及银河气体和尘埃不可避免地产生伽马射线和中微子。鉴于对银河系平面伽马射线的观测，银河系有望成为高能中微子的来源。

艺术家对银河系印象的中微子视图（蓝天图）。资料来源：IceCube 协作/科学传播实验室 CRC 1491

“现在已经测量了一个中微子对应物，从而证实了我们对银河系和宇宙射线源的了解，”德雷塞尔大学物理学博士生，IceCube成员和联合首席分析仪Steve Sclafani说。

搜索集中在南部天空，银河系平面的大部分中微子发射预计将在我们银河系中心附近。然而，到目前为止，宇宙射线与地球大气相互作用产生的μ介子和中微子的背景构成了重大挑战。

为了克服这些问题，德雷塞尔大学的IceCube合作者进行了分析，选择“级联”事件，或冰中的中微子相互作用，导致大致球形的光阵雨。由于级联事件的沉积能量始于仪器体积内，因此减少了大气μ介子和中微子的污染。最终，级联事件的更高纯度使来自南方天空的天体物理中微子具有更好的敏感性。

银河系的两张图像。顶部是用可见光捕获的，底部是有史以来第一次用中微子捕获的。图片来源：IceCube Collaboration/美国国家科学基金会（Lily Le&Shawn Johnson）/ESO（S. Brunier）

然而，最终的突破来自多特蒙德理工大学IceCube合作者开发的机器学习方法的实施，该方法改善了中微子产生的级联的识别以及它们的方向和能量重建。从银河系观测中微子是机器学习在IceCube的数据分析和事件重建中提供的新兴关键价值的标志。

“改进的方法使我们能够保留一个数量级以上的中微子事件，并具有更好的角度重建，从而使分析比以前的搜索敏感三倍，”IceCube成员，多特蒙德工业大学物理学博士生和联合首席分析员Mirco Hünnefeld说。

该研究中使用的数据集包括跨越10年的IceCube数据的60，000个中微子，是之前使用级联事件分析银河平面时使用的事件的30倍。这些中微子与先前发表的天空中星系预计在中微子中发光的位置的预测图进行了比较。

冰立方实验室的景色，星空显示银河系和绿色极光。资料来源：Yuya Makino，IceCube/NSF

这些地图包括一张由费米大面积望远镜对银河系的伽马射线观测外推而制作的地图，以及两张被制作它们的理论家小组确定为KRA-伽马的替代地图。

“这种期待已久的银河系中宇宙射线相互作用的探测也是一个很好的例子，说明当机器学习中持续应用现代知识发现方法时可以实现什么，”多特蒙德工业大学物理学教授，IceCube成员和Hünnefeld的顾问Wolfgang Rhode说。

机器学习的力量提供了巨大的未来潜力，使其他观察更接近。

“银河系作为高能中微子来源的有力证据在合作的严格测试中幸存下来，”佐治亚理工学院物理学教授和IceCube发言人Ignacio Taboada说。“现在下一步是确定银河系内的特定来源。

这些问题和其他问题将在IceCube计划的后续分析中得到解决。

“第一次使用粒子而不是光来观察我们自己的星系是一个巨大的进步，”德雷塞尔大学物理学教授，IceCube成员和Sclafani的顾问Naoko Kurahashi Neilson说。“随着中微子天文学的发展，我们将获得一个新的透镜来观察宇宙。

关注科学剃刀，每日推送关于核聚变、理论物理、太空探索的最新动态，SpaceX为专题日更

原标题：《『科学家绘制了首张由中微子成像的银河系图像》

阅读原文