Млечный Путь ярко светится на первом в своем роде изображении, полученном с помощью нейтрино.

• Телескоп IceCube впервые получил изображение Млечного пути, полученное с помощью нейтрино, которое выявило концентрацию высокоэнергетических частиц в плоскости и центре нашей галактики.

• Инструменты глубокого обучения позволяют исследователям выявлять более чем в 20 раз больше полезных событий, извлекая слабый галактический сигнал из огромного фонового излучения.

• Полученный сигнал убедительно подтверждает, что Млечный Путь является источником высокоэнергетических нейтрино, однако исследователи до сих пор не могут точно определить отдельные источники или установить, какая из моделей излучения является правильной.

Млечный Путь давно картографируется с помощью звездного света, радиоволн и гамма-лучей. Теперь он предстал в совершенно ином виде: призрачное изображение, полученное с помощью высокоэнергетических нейтрино, причем самый сильный сигнал сосредоточен в центре галактики.

Изображение получено в результате 10-летних наблюдений нейтринной обсерватории IceCube на Южном полюсе. Результаты, опубликованные в журнале Science , убедительно доказывают, что сама Млечная Галактика производит высокоэнергетические нейтрино.

В анализе данных участвовали члены коллаборации IceCube из Стокгольмского и Уппсальского университетов. Их работа предполагает, что взаимодействие космических лучей вблизи Галактического центра может быть более интенсивным, чем предсказывали более ранние модели.

«Увидеть нашу галактику с помощью нейтрино — это то, о чем мы мечтали, но что казалось недостижимым для нашего проекта на протяжении многих лет», — сказал Чад Финли, доцент кафедры физики Стокгольмского университета. «Сегодняшний результат стал возможен благодаря революции в машинном обучении, которая позволила нам гораздо глубже изучать наши данные, чем раньше».

Частицы-призраки отслеживают столкновения космических лучей.

Нейтрино — это мельчайшие частицы, которые редко взаимодействуют с материей. Это затрудняет их обнаружение, но делает их полезными в качестве космических посланников, поскольку они перемещаются сквозь материю и пространство с минимальными возмущениями.

Плоскость Галактики уже считалась вероятным источником нейтрино. Высокоэнергетические космические лучи, включая энергичные протоны и атомные ядра, сталкиваются с газом и пылью в Млечном пути. В результате этих столкновений образуются частицы, называемые пионами.

Нейтральные пионы распадаются на гамма-лучи, а заряженные пионы — на нейтрино. Поскольку оба типа частиц могут возникать в результате взаимодействий космических лучей, астрономы ожидали широкого нейтринного свечения вдоль галактической плоскости. Гамма-лучевые наблюдения уже позволили составить карту большей части этой активности, но предсказания относительно нейтрино оставались неопределенными.

Установка IceCube предоставила возможность напрямую проверить эти ожидания. Ее 5160 цифровых оптических модулей расположены на глубине от 1,5 до 2,5 километров под поверхностью Антарктиды. Они регистрируют черенковское излучение, возникающее при взаимодействии нейтрино с ядрами во льду или горных породах.

Глубокое обучение извлекает слабый сигнал.

Для обнаружения астрофизических нейтрино необходимо отделить их от огромного фонового излучения. IceCube наблюдает события на частоте около 2,7 килогерц, в основном от атмосферных частиц, и регистрирует около 100 миллионов атмосферных мюонов на каждое астрофизическое нейтрино.

Группа исследователей сосредоточила свои усилия на каскадных событиях, компактных ливнях частиц, образующихся главным образом из электронных и тау-нейтрино, а также на некоторых взаимодействиях с участием всех трех типов нейтрино.

Каскады обладают меньшей точностью определения направления, чем длинные треки частиц, но они дают преимущества в южной части неба, где расположен Галактический центр. Они уменьшают загрязнение атмосферными нейтрино примерно на порядок на энергиях в тераэлектронвольты и позволяют использовать пороговое значение анализа около 1 ТэВ.

Глубокие нейронные сети значительно увеличили объем пригодной для использования выборки. Новый метод отбора сохранил более чем в 20 раз больше событий, чем метод, использованный в более раннем каскадном анализе плоскости Галактики с помощью IceCube. Он также улучшил угловое разрешение до двух раз на энергиях в тераэлектронвольты.

Исследователи проанализировали данные, собранные с мая 2011 года по май 2021 года. В окончательную выборку вошли 59 592 события, охватывающие весь спектр неба, от 500 ГэВ до нескольких петаэлектронвольт. Ранее отобранные данные включали 1980 событий за семь лет наблюдений.

По оценкам, около 6% итоговой выборки приходилось на атмосферные мюоны и примерно 7% — на астрофизические нейтрино. Остальные 87% составляли атмосферные нейтрино.

Галактическая плоскость выделяется

В ходе анализа были протестированы три модели диффузного нейтринного излучения из Млечного пути. Каждая из них основывалась на наблюдениях гамма-излучения, но использовала различные допущения относительно поведения космических лучей и распределения излучения.

Все три модели показали результаты, превосходящие ожидаемые, полученные только на основе фоновых данных. Значимость этих результатов составила 4,71 сигма, 4,37 сигма и 3,96 сигма. После консервативной поправки на проверку трех связанных моделей, наиболее сильный результат соответствовал значению 4,48 сигма.

Одна модель предсказывала более равномерное распределение нейтрино вдоль галактической плоскости, в то время как другие концентрировали больше излучения вблизи галактического центра. Данные не позволили определить, какая модель лучше всего описывает истинную картину распределения источников.

В ходе отдельного поиска по всему небу были исследованы отдельные участки. Некоторые избытки совпали с известными источниками гамма-излучения, включая Крабовидную туманность, 3C 454.3 и область Лебедя X. Ни один из них не остался статистически значимым после учета множества исследованных участков.

Это указывает на то, что галактический сигнал не определяется каким-либо одним очевидным точечным источником.

Поиски по каталогу, включающие остатки сверхновых, туманности, образованные пульсарными ветрами, и неопознанные галактические гамма-источники, показали превышение значений на уровне 3 сигма и выше. Команда не заявила об обнаружении объектов, поскольку эти объекты перекрываются с областями, где, как ожидается, диффузное галактическое излучение уже является наиболее сильным.

Центр галактики может быть более активным, чем предполагалось.

Наблюдаемый поток нейтрино оставляет без ответа важные вопросы. В более простой модели нейтральных пионов наилучшее соответствие высокоэнергетическому потоку примерно в пять раз превышало предсказание модели.

Несоответствие может отражать различия в распространении космических лучей вблизи Галактического центра, изменения в их энергетическом спектре или вклад от неразрешенных источников нейтрино.

Результаты тестов отдавали предпочтение диффузному излучению вдоль галактической плоскости, однако данные не позволяли с уверенностью различить протестированные модели или идентифицировать встроенные точечные источники.

В зависимости от модели, предполагаемый сигнал от Млечного Пути составляет от 6% до 13% от ранее наблюдавшегося астрофизического потока нейтрино на энергии 30 ТэВ.

«Предыдущие открытия с помощью IceCube были связаны с излучением нейтрино с гораздо больших расстояний, и действительно захватывающе, что теперь мы можем увидеть нейтринное изображение нашей собственной галактики», — сказал Клас Хультквист, профессор кафедры физики Стокгольмского университета.

Практические последствия исследования

Полученные результаты предоставляют астрономам еще один способ изучения мест взаимодействия частиц внутри Млечного пути. Нейтрино распространяются с минимальными помехами, поэтому они позволяют отслеживать взаимодействия космических лучей даже там, где фотоны могут поглощаться или изменяться.

Следующий шаг — выяснить, вносят ли конкретные галактические объекты вклад в сигнал и какая его часть обусловлена диффузным взаимодействием с межзвездным газом.

«Это открывает возможности для изучения дальнейших процессов с использованием нейтрино. Первым шагом является попытка идентифицировать объекты в Млечном пути как источники нейтрино. IceCube-Gen2, модернизация IceCube, которую мы сейчас планируем, обеспечит нам гораздо большую чувствительность для дальнейших исследований событий в галактике».

Узнайте больше о галактических нейтрино и космических лучах.

В этих материалах рассказывается о том, как астрономы уточняют карту нейтрино в Млечном пути, ищут конкретные галактические источники и сопоставляют наблюдения нейтрино с космическими лучами и гамма-лучами.

Галактическое нейтринное небо: предсказания на основе гамма-излучения. В этом недавнем анализе используются измерения гамма-излучения Галактики для уточнения предсказаний для высокоэнергетического нейтринного неба и изучения того, что текущие и будущие наблюдения могут рассказать о взаимодействиях космических лучей в Млечном пути. (arXiv, 2026)

Измерение потока нейтрино в астрофизической плоскости Галактики и поиск галактических певатронов с использованием многоароматной астрофизической нейтринной выборки IceCube. Исследователи IceCube объединяют более чем 12-летний опыт наблюдений за различными типами нейтринных событий для улучшения измерений в плоскости Галактики и поиска мощных ускорителей космических лучей, включая кандидатов в области Лебедя. (Международная конференция по космическим лучам, 2025)

Анализ диффузного астрофизического потока из плоскости Галактики с использованием данных IceCube за 12,1 года: стартовые треки, сквозные треки и каскады. Этот анализ IceCube объединяет три канала детектирования для измерения спектра галактических нейтрино в диапазоне энергий от ТэВ до ПэВ и исследования различных областей Млечного Пути с меньшей зависимостью от фиксированных моделей излучения. (Международная конференция по космическим лучам, 2025)

Происхождение диффузного гамма-излучения очень высоких энергий. Данное исследование изучает происхождение диффузного гамма-излучения очень высоких энергий в Млечном пути и его связь с взаимодействиями космических лучей, предоставляя важный контекст для интерпретации галактических нейтрино. (Астрономия и астрофизика, 2025)

Характеристика астрофизического диффузного потока нейтрино с использованием событий стартовых треков в IceCube. В этом исследовании, основанном на более чем десятилетних наблюдениях IceCube, измеряется более широкий астрофизический спектр нейтрино, что помогает установить высокоэнергетический нейтринный фон, на фоне которого необходимо понимать вклад Млечного пути. (Physical Review D, 2024)

Результаты исследования доступны в электронном виде в журнале Science.

Оригинальная статья «Млечный путь ярко светится на первом в своем роде изображении нейтрино» опубликована в издании The Brighter Side of News.

Похожие статьи

• Малые галактики-красные точки могут разгадать загадку космических нейтрино.

• Зеркальная вселенная, где время течет вспять, может помочь объяснить существование темной материи, антиматерии и нейтрино.

• Проект Shadow Blaster указывает на галактики со вспышками звездообразования как на скрытые источники космических нейтрино.

Нравятся такие позитивные истории? Подпишитесь на рассылку The Brighter Side of News .