ニュートリノ検出により天の川の幽霊地図が構築される

天体物理学者たちは、幽霊のような粒子から、私たちが住んでいる銀河の新しい地図を組み立てました。

今のところ、天の川の地図はぼやけていて不完全です。 しかし、より多くのデータが収集されるにつれて、それはより明確になり、爆発した星の残骸の拡大のような銀河のけいれんを明らかにするのに役立ち、従来の望遠鏡による観測だけでは解決するのが難しい謎への手がかりを提供するでしょう。

フィラデルフィアのドレクセル大学物理学教授、倉橋ニールソン直子教授は、「私たちが光以外で銀河を見たのはこれが初めてだ」と述べ、銀河の新たな見方が得られる可能性があるとの考えを思いついた。ニュートリノとして知られる粒子から。

倉橋ニールソン博士と、南極のニュートリノ検出器からのデータの分析に協力している他の350人以上の科学者は、木曜日にサイエンス誌に掲載された論文でその発見を報告した。

「これはついにニュートリノ天文学の本当の始まりです」と、この研究には関与していないハワイ大学の物理学者ジョン・G・ラーンド氏は語った。

人々は夜空を見上げて以来、銀河内の星からの拡散光の帯を見てきました。 洗練された望遠鏡は、電波から超高エネルギーのガンマ線に至るまで、光のスペクトル全体にわたって天の川を調査してきました。 しかし、それらはすべて光の形です。

ニュートリノはまったく異なります。ニュートリノはさまざまな亜原子反応から放出される粒子であり、宇宙で最も一般的な粒子の 1 つです。 しかし、それらの重さはほとんどなく、何かと対話することはほとんどありません。

科学者たちは地球の底で、4分の1立方マイルの南極の氷をアイスキューブニュートリノ観測所に変えました。 氷は十分な質量を提供するため、通過するニュートリノの 100 万個に 1 個が何かに衝突し、氷の中に凍った 5,000 本以上の光電子増倍管で捕捉できる閃光を放ちます。

昨年11月、IceCubeチームは、地球からわずか4700万光年離れた銀河NGC 1068から約80個のニュートリノを検出したと報告した。 これらのニュートリノは、その中心にある超大質量ブラックホールがそこに落ちてくる物質を貪欲に飲み込んだときに吐き出された可能性が高い。

少し不思議なことに、天文学者が私たちの天の川銀河内から来たと自信を持って言えるニュートリノは存在しませんでした。 ある意味、それは驚くべきことではありませんでした。 天の川銀河の中心にあるブラックホールは、NGC 1068 のブラックホールよりもはるかに静かです。しかし、天体物理学者は、IceCube に出現するのに十分な高エネルギーニュートリノを生成する他の現象があると予想していました。

ニュートリノを天の川銀河の出来事と結び付ける際の障害の1つは、私たちの銀河が最も観察されやすい南半球にIceCube検出器を設置することでした。

「検出器は南半球にあるので、その方が良いと思われるでしょう」と倉橋ニールソン博士は言いました。 しかしその代わりに、高エネルギー宇宙線が地球の大気中の分子に衝突したときに生成される粒子が、天文学者が通常探しているニュートリノ信号を洗い流してしまいます。

「ロサンゼルスで天の川を見ようとしているようなものです」と倉橋ニールソン博士は言いました。

およそ 5 年前、彼女はあるアイデアを思いつきました。 倉橋ニールソン博士は、それまで天文学者たちが注目していたニュートリノ信号（遠い起源を指し示すのに役立つ長い光の軌跡）の代わりに、ニュートリノがアイスキューブ内で生成する可能性のある球状の光のカスケードを分析したいと考えました。粒子の起源を特定するのに役立ちます。

「それは光の塊のようです」と彼女は言いました。 「以前は天文学のことだけを捨てていました。」

しかし、池に投げ込まれた石が常に正確な円形であるとは限らない波紋を作るのと同じように、塊はすべての方向で完全に対称ではないため、ニュートリノの方向を推測することは可能です。

「私の協力者のほとんどは、当時はこれが実現可能だと信じていなかったと思います」と倉橋ニールソン博士は語った。 「限界に挑戦したいと思うかもしれませんが、不可能なことはやりたくないでしょう。 つまり、最先端のアイデアがたくさんあり、実際に機能しそうなものを選択する必要があります。」

ドレクセルで倉橋ニールソン博士と共同研究している大学院生で、現在はメリーランド大学の博士研究員であるスティーブ・スクラファニと、ドイツのドルトムント工科大学の大学院生であるミルコ・ヒュネフェルトが、分析の先頭に立って、機械学習、人工知能の一分野。

「私たちはまさに干し草の山から針を刺すような調査を行っているのです」とヒュネフェルト氏は語った。

自分自身を騙す可能性を避けるために、10 年間の IceCube データの分析はブラインドで実行されました。 研究者らは中間結果をまったく調べておらず、分析によって天の川ニュートリノがまったく発見されたかどうかは最後まで分からなかった。 「その箱を開けたら、中身がゼロだった可能性は十分にあります」とスクラファニ博士は語った。

その代わりに、分析により、天の川銀河面から来た数百のニュートリノが判明しました。 ニュートリノと、光の最高エネルギー形態であるガンマ線との間には、何らかの相関関係があるようです。 どちらも、高エネルギーの宇宙線が星間空間の水素ガス分子などの他の粒子に衝突したときにこぼれ出る粒子のカスケードの中で生成されます。

銀河中心近くに示唆に富む明るい点があるが、おそらく天の川銀河の超大質量ブラックホールによって生成されたニュートリノであるが、「統計的にそれほど有意ではない」と倉橋ニールソン博士は述べた。 より多くのデータが収集されるにつれて、銀河の中心からのニュートリノ放出が明確になるか、あるいはそれが単なる統計上のまぐれであったために消えてしまいます。

地球上に降り注ぐ宇宙線、ガンマ線、ニュートリノは、星が爆発したり、ブラックホールが周囲を飲み込んだりするなど、宇宙が決して平静ではないことを示しています。

「私たちは、これらの信じられないほど暴力的でエネルギー的なプロセスをすべて見ています」と、メリーランド州にあるNASAのゴダード宇宙飛行センターの天体物理学者で、アイスキューブプロジェクトには関与していないレジーナ・M・カプート氏は語った。

NASA のフェルミ ガンマ線宇宙望遠鏡のプロジェクト科学者、エリザベス A. ヘイズ氏は、IceCube は新しくて異なる視点を提供すると述べました。 「今ではニュートリノも見つかったので、それらを一緒に観察して、私たちの銀河内や銀河系外のエネルギー物質がどこから来ているのかを実際に理解できるようになりました。」と彼女は言いました。