科学家拍摄到的第一张银河系幽灵粒子图像IceCube检测到中微子

我们的银河系是夜空中令人惊叹的一个特征，用肉眼可以看到一条从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利用中微子(微小、幽灵般的天文信使)拍摄了银河系图像。在《科学》杂志上发表的一篇文章中，由350多名科学家组成的国际组织IceCubeCollaboration提出了银河系高能中微子发射的证据。

这些高能中微子的能量比为恒星提供能量的聚变反应产生的能量高出数百万至数十亿倍，由冰立方中微子天文台(阿蒙森-斯科特南极站运行的十亿吨探测器)探测到。

这种独一无二的探测器覆盖了1立方公里的南极深处冰层，配备了5,000多个光传感器。IceCube寻找源自我们银河系及其以外、直至宇宙最远的高能中微子的迹象。

威斯康星大学麦迪逊分校物理学教授、IceCube首席研究员弗朗西斯·哈尔森(FrancisHalzen)表示：“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星系中附近的中微子源。”。

美国国家科学基金会物理部主任丹尼斯·考德威尔说：“正如通常的情况一样，科学上的重大突破是通过技术进步实现的。”“高度灵敏的IceCube探测器提供的功能，加上新的数据分析工具，让我们对银河系有了全新的认识——以前只是暗示过这一点。随着这些功能的不断完善，我们可以期待观看这张图片以不断增加的分辨率出现，有可能揭示人类从未见过的银河系隐藏特征。”

宇宙射线(高能质子和较重的原子核，也在我们的银河系中产生)与银河系气体和尘埃之间的相互作用不可避免地会产生伽马射线和中微子。鉴于从银河平面观测到的伽马射线，银河系被认为是高能中微子的来源。

“现在已经测量到了中微子对应物，从而证实了我们对银河系和宇宙射线源的了解，”物理学博士史蒂夫·斯克拉法尼说。德雷克塞尔大学学生、IceCube成员和联合首席分析员。

搜索的重点是南部天空，预计银河系平面发射的大部分中微子位于银河系中心附近。然而，到目前为止，宇宙射线与地球大气相互作用产生的μ子和中微子背景提出了重大挑战。

为了克服这些问题，德雷克塞尔大学的IceCube合作者开发了分析方法，选择“级联”事件，或者冰中的中微子相互作用，从而产生大致球形的光阵。由于级联事件沉积的能量是在仪表体积内开始的，因此减少了大气μ子和中微子的污染。最终，级联事件的纯度越高，对来自南方天空的天体物理中微子就越敏感。

然而，最终的突破来自多特蒙德工业大学IceCube合作者开发的机器学习方法的实施，该方法改进了中微子产生的级联的识别及其方向和能量重建。对银河系中微子的观测是机器学习在IceCube数据分析和事件重建中提供的新兴关键价值的标志。

IceCube成员、多特蒙德工业大学物理学博士表示：“改进的方法使我们能够通过更好的角度重建保留一个数量级以上的中微子事件，从而使分析的灵敏度比之前的搜索高出三倍。”学生兼联合首席分析员MircoHünnefeld。

研究中使用的数据集包括跨越10年IceCube数据的60,000个中微子，是之前使用级联事件对银河平面进行分析时选择的事件数量的30倍。将这些中微子与之前发布的银河系预计在中微子中闪耀的天空位置预测图进行比较。

这些地图包括一张根据费米大面积望远镜对银河系的伽马射线观测结果进行推断得出的地图，以及两张由制作它们的理论家小组识别为KRA-gamma的替代地图。

多特蒙德工业大学物理学教授沃尔夫冈·罗德(WolfgangRhode)表示：“人们期待已久的对星系中宇宙射线相互作用的探测也是一个很好的例子，说明了持续应用机器学习中的现代知识发现方法可以取得什么成果。”IceCube成员，Hünnefeld的顾问。

机器学习的力量提供了巨大的未来潜力，使其他观察变得更加触手可及。

佐治亚理工学院物理学教授兼IceCube发言人伊格纳西奥·塔博阿达(IgnacioTaboada)表示：“我们合作通过了严格的测试，证明银河系是高能中微子来源，这是强有力的证据。”“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。

“首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，”德雷克塞尔大学物理学教授、IceCube成员、斯克拉法尼的顾问NaokoKurahashiNeilson说。“随着中微子天文学的发展，我们将获得一个新的镜头来观察宇宙。”