南极洲的一个天文台揭示了银河系的“幽灵”新肖像

天文学家首次利用嵌入南极冰层的望远镜探测到的宇宙“幽灵粒子”，合成了一幅银河系的发光肖像。
多年来，天文学家通过可见光或无线电波的电磁辐射展示了银河系的惊人图像。但这是一种基于物质粒子而非能量的银河系新视角。
所谓的幽灵粒子是中微子。这些微小的高能宇宙粒子通常被称为幽灵，因为它们极具汽性，可以穿过任何物质而不发生变化。
这项研究发表在周四的《科学》杂志上。
“我记得我说过，‘在人类历史的这一点上，我们是第一个看到银河系的人，而不是光，’”该研究的合著者、德雷塞尔大学(Drexel University)物理学副教授Naoko Kurahashi nelson在一份声明中回忆起她和两名博士生最初看到这张照片的时候说。
中微子几乎没有质量，可以穿越最极端的环境——包括恒星、行星和整个星系——而根本不会改变它们的结构。很可能每天都有数十亿颗小行星从我们身边经过，而我们却感觉不到它们。
幽灵粒子很难被探测到，因为它们不经常与周围环境相互作用，但它们确实与冰相互作用。地球上冰浓度最高的地方是南极洲。
一个国际科学家小组利用位于南极洲国家科学基金会阿蒙森-斯科特南极站的冰立方中微子观测站探测中微子，并追踪它们的起源。

用冰冷的方式研究宇宙

冰立方探测器于2010年投入使用，是同类探测器中最大的。该观测站可以监测10亿吨南极冰的中微子相互作用。为了建造探测器，工人们在冰面上钻了86个洞，每个洞深1.5英里(2.4公里)，并在一个0.2立方英里(1立方公里)的网格上铺设了一个由5160个光传感器组成的网络。
当中微子与冰相互作用时，它们会产生冰立方探测到的微弱光模式。一些光线模式指向天空的特定区域，这使得天文学家可以追踪它们的起源。在2018年的一个案例中，科学家们能够使用冰立方追踪到一个中微子的起源，这个中微子向地球传播了37亿光年。
但库拉希·尼尔森说，中微子和冰之间的其他相互作用只会产生“模糊的光球”，这使得追踪它们到达地球的路径变得更加困难。

冰立方探测器是在繁星点点的夜空下拍摄的，银河系出现在低极光的背景上。
她和德雷塞尔大学(Drexel University)的博士生史蒂夫·斯克拉法尼(Steve Sclafani)以及德国多特蒙德大学(TU Dortmund University)的博士生米尔科·赫<s:1>尼菲尔德(Mirco hnnefeld)共同创建了一种机器学习算法，用于比较冰立方10年来探测到的6万多个中微子光模式的大小、能量和相对位置。
在向冰立方提供数据之前，三人花了两年多的时间来测试该算法。最终的结果是一张图像，显示了银河系中可能发射中微子的亮点，为我们的星系创造了一幅新的肖像。
研究报告的合著者、斯德哥尔摩大学物理学副教授、冰立方团队成员查德·芬利在一份声明中说:“用中微子观察我们的星系是我们梦寐以求的事情，但在未来的许多年里，我们的项目似乎都遥不可及。”“今天使这一结果成为可能的是机器学习的革命，使我们能够比以前更深入地探索我们的数据。”
图像中精确定位的一些位置也是先前观测到的伽马射线的位置，当宇宙射线与星系气体和尘埃相撞时产生了伽马射线。这种相互作用也被认为会产生中微子，但确定中微子的具体来源是研究人员未来的关键目标。
斯克拉法尼说:“现在已经测量了中微子的对应物，从而证实了我们对银河系和宇宙射线源的了解。”

追寻宇宙奥秘

研究人员现在认为，在看到这张照片后，宇宙射线在银河系中心的相互作用更为强烈。
宇宙射线是宇宙中能量最高的粒子，从太空以辐射轰击地球。1912年，物理学家维克多·赫斯(Victor Hess)在100多年前首次探测到大气中的这些电离粒子。他断定它们来自太空。
据美国国家航空航天局称，宇宙射线主要由从原子中剥离出来的质子或原子核组成。
但是这些射线自从被发现以来就一直困扰着科学家们。它们从何而来，又是什么创造和发射它们穿越宇宙?中微子可以告诉我们。
现在，该团队想要调查整个星系中中微子的特定来源。
Kurahashi Neilson说:“第一次用粒子代替光来观察我们自己的星系是一个巨大的进步。”
“随着中微子天文学的发展，我们将获得一个新的视角来观察宇宙。这就是我们做这些的原因。去看看没人见过的东西，去了解我们不了解的东西。”