幽灵般的天体信使 - 中微子揭示了银河系的新面貌

我们的银河系是夜空中一个令人敬畏的特征，用肉眼就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（IceCube Neutrino Observatory）首次利用中微子--微小的、幽灵般的天文信使--制作了一幅银河系的图像。在6月30日发表在《科学》杂志上的一篇文章中，由350多名科学家组成的国际小组--冰立方合作组提出了来自银河系的高能中微子发射的证据。

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高能中微子的能量比为恒星提供动力的核聚变反应产生的能量高几百万到几十亿倍，由冰立方中微子观测站探测到，这是一个在阿蒙森-斯科特南极站运行的千兆探测器。它的建造和运行得到了美国国家科学基金会（NSF）的资助和冰立方合作组织机构成员所在的14个国家的额外支持。

中微子视图（蓝天地图）在银河系的艺术家印象前。资料来源：冰立方合作组织/CRC1491的科学交流实验室

这个独一无二的探测器涵盖了一立方公里的南极深层冰，上面装有5000多个光传感器。冰立方搜索来自我们银河系和其他地方的高能中微子的迹象，直到宇宙的最远处。

威斯康星大学麦迪逊分校物理学教授、冰立方首席研究员弗朗西斯-哈尔森说："令人感兴趣的是，与任何波长的光的情况不同，在中微子中，宇宙比我们银河系中的附近来源更亮。"

美国国家科学基金会物理部主任丹尼斯-考德威尔（Denise Caldwell）说："正如经常发生的那样，科学上的重大突破是由技术的进步促成的。"高灵敏度的冰立方探测器所提供的能力，加上新的数据分析工具，使我们对我们的星系有了一个全新的看法--以前只是暗示过。随着这些能力的不断完善，我们可以期待看到这幅图景以越来越高的分辨率出现，可能会揭示出人类从未见过的银河系的隐藏特征。"

冰立方实验室在星空下的景色，显示出银河和绿色极光。资料来源：Yuya Makino, IceCube/NSF

宇宙射线--高能质子和较重的核子，也产生于我们的银河系--与银河系气体和尘埃之间的相互作用不可避免地产生伽马射线和中微子。鉴于对来自银河系平面的伽马射线的观察，银河系被期望成为高能中微子的来源。

德雷塞尔大学物理学博士生、冰立方成员、联合首席分析员Steve Sclafani说："现在已经测量到了中微子的对应物，从而证实了我们对银河系和宇宙射线源的了解。"

搜索的重点是南部天空，预计在我们银河系的中心附近，来自银河系平面的中微子发射大部分都在那里。然而，直到现在，宇宙射线与地球大气层相互作用产生的μ子和中微子的背景构成了重大挑战。

弗朗西斯-哈尔岑，冰立方首席科学家和华盛顿大学麦迪逊分校的教授。资料来源：EL PAIS/BERNARDO PÉREZ

为了克服这些挑战，德雷塞尔大学的冰立方合作者开发了选择"级联"事件的分析方法，即冰中的中微子相互作用导致了大致球形的光束的出现。由于来自级联事件的沉积能量开始于仪器的体积内，大气中的μ子和中微子的污染就会减少。最终，级联事件的纯度较高，对来自南方天空的天体物理中微子有更好的敏感性。

然而，最终的突破来自于机器学习方法的实施，该方法由多特蒙德工业大学的冰立方合作者开发，改善了对中微子产生的级联的识别，以及它们的方向和能量重建。对来自银河系的中微子的观测是机器学习在冰立方的数据分析和事件重建中提供的新兴关键价值的一个标志。

冰立方成员、多特蒙德大学物理学博士生、联合首席分析员Mirco Hünnefeld说："改进后的方法使我们能够保留超过一个数量级的中微子事件，并进行更好的角度重建，从而使我们的分析比以前的搜索要敏感三倍。"

研究中使用的数据集包括60,000个横跨10年冰立方数据的中微子，是之前使用级联事件分析银河系平面所选事件的30倍。这些中微子与以前发表的预测图进行了比较，这些预测图显示了银河系在天空中预计会闪现中微子的位置。

这些地图包括一个通过推断费米大面积望远镜对银河系的伽马射线观测结果制成的地图，以及两个被制作这些地图的理论家小组确定为KRA-伽马的替代地图。

多特蒙德工业大学物理学教授、冰立方成员、Hünnefeld的顾问Wolfgang Rhode说："这个期待已久的星系中宇宙射线互动的探测也是一个精彩的例子，说明当机器学习中的现代知识发现方法被持续应用时，可以取得什么样的成果。"

机器学习的力量提供了巨大的未来潜力，使其他的观测更接近于可及。