Den första neutrinobilden av Vintergatan

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.

Möjligt tack vare maskinninlärning

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 neutrinokrockerna. 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.

– 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, säger Chad Finley, docent vid Fysikum, Stockholms universitet, och en av IceCube-forskarna som har arbetat med studien.

– 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.

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 borde också kunna 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.

Ett nytt verktyg för att studera Vintergatan

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 beräkningsuppgift. Tack vare utvecklingen av nya datormetoder som kallas Deep Neural Networks har det blivit möjligt att identifiera dessa neutrinohändelser med 20 gånger högre effektivitet än tidigare.

– Högenergineutriner ger oss ett underbart nytt verktyg för att studera Vintergatan. Nästa steg är att identifiera neutrinokällorna, potentiellt platserna för acceleration av galaktisk kosmisk strålning till höga energier, säger Olga Botner, seniorprofessor i fysik vid Uppsala universitet.

– Om den planerade IceCube-Gen2 anläggningen förverkligas skulle den möjliggöra en djupare utforskning av det galaktiska planet och låta oss skilja mellan olika källor och mellan modeller för utbredning av kosmisk strålning, avslutar Olga Botner.