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Das IceCube-Teleskop hat das erste Neutrinobild der Milchstraße aufgenommen, das eine Konzentration hochenergetischer Teilchen in der Ebene und im Zentrum unserer Galaxie offenbart.
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Mithilfe von Deep-Learning-Tools können Forscher mehr als 20-mal mehr nützliche Ereignisse identifizieren, indem sie das schwache galaktische Signal aus der gewaltigen Hintergrundstrahlung extrahieren.
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Das empfangene Signal bestätigt überzeugend, dass die Milchstraße eine Quelle hochenergetischer Neutrinos ist, doch die Forscher sind noch immer nicht in der Lage, einzelne Quellen genau zu lokalisieren oder zu bestimmen, welches Emissionsmodell korrekt ist.
Die Milchstraße wurde lange Zeit mithilfe von Sternenlicht, Radiowellen und Gammastrahlen kartiert. Nun erscheint sie in einem völlig anderen Licht: als geisterhaftes Bild, das mithilfe hochenergetischer Neutrinos gewonnen wurde, wobei das stärkste Signal im Zentrum der Galaxie konzentriert ist.
Das Bild entstand im Rahmen zehnjähriger Beobachtungen des Neutrino-Observatoriums IceCube am Südpol. Die Ergebnisse wurden veröffentlicht in Wissenschaftsmagazin , überzeugend zu beweisen, dass die Milchstraße selbst hochenergetische Neutrinos produziert.
Mitglieder der IceCube-Kollaboration der Universitäten Stockholm und Uppsala waren an der Datenanalyse beteiligt. Ihre Arbeit deutet darauf hin, dass die Wechselwirkungen kosmischer Strahlung in der Nähe des galaktischen Zentrums intensiver sein könnten als bisher angenommen.
«Unsere Galaxie mithilfe von Neutrinos zu beobachten, war ein lang gehegter Traum, der für unser Projekt viele Jahre lang unerreichbar schien», sagte Chad Finley, außerordentlicher Professor am Fachbereich Physik der Universität Stockholm. «Das heutige Ergebnis wurde durch die Revolution des maschinellen Lernens ermöglicht, die es uns erlaubte, unsere Daten viel detaillierter zu analysieren als zuvor.».
Eine optimale Anpassungskarte der vorläufigen Ergebnisse der Himmelsdurchmusterung, dargestellt auf der Aitoff-Projektion der Himmelskugel in äquatorialen Koordinaten (Äquinoktium J2000). (Bildnachweis: Chad Finley et al., Neutrino Astrophysics)
Geisterteilchen deuten auf Kollisionen kosmischer Strahlung hin.
Neutrinos sind winzige Teilchen, die nur selten mit Materie wechselwirken. Das macht sie schwer nachweisbar, aber gleichzeitig nützlich als kosmische Boten, da sie sich mit minimaler Störung durch Materie und Raum bewegen.
Die galaktische Ebene gilt bereits als wahrscheinliche Neutrinoquelle. Hochenergetische kosmische Strahlung, darunter energiereiche Protonen und Atomkerne, kollidiert mit Gas und Staub in der Milchstraße. Bei diesen Kollisionen entstehen Teilchen, die Pionen genannt werden.
Neutrale Pionen zerfallen in Gammastrahlen, geladene Pionen hingegen in Neutrinos. Da beide Teilchenarten durch Wechselwirkungen kosmischer Strahlung entstehen können, erwarteten Astronomen ein breites Neutrinoleuchten entlang der galaktischen Ebene. Gammastrahlenbeobachtungen haben bereits einen Großteil dieser Aktivität erfasst, doch Vorhersagen bezüglich der Neutrinos blieben unsicher.
Die IceCube-Anlage bot die Möglichkeit, diese Erwartungen direkt zu überprüfen. Ihre 5.160 digitalen optischen Module befinden sich in 1,5 bis 2,5 Kilometern Tiefe unter der Oberfläche der Antarktis. Sie detektieren Tscherenkow-Strahlung, die entsteht, wenn Neutrinos mit Atomkernen in Eis oder Gestein wechselwirken.
Deep Learning extrahiert schwache Signale.
Um astrophysikalische Neutrinos nachzuweisen, müssen sie von der immensen Hintergrundstrahlung getrennt werden. IceCube beobachtet Ereignisse mit einer Frequenz von etwa 2,7 Kilohertz, die hauptsächlich von atmosphärischen Teilchen stammen, und registriert etwa 100 Millionen atmosphärische Myonen pro astrophysikalischem Neutrino.
Chad Finley, außerordentlicher Professor für Physik an der Universität Stockholm. (Foto: Søren Andersson)
Das Forschungsteam konzentrierte sich auf Kaskadenereignisse, kompakte Teilchenschauer, die hauptsächlich aus Elektron- und Tau-Neutrinos gebildet werden, sowie auf einige Wechselwirkungen, an denen alle drei Neutrinotypen beteiligt sind.
Kaskaden bieten zwar eine geringere Genauigkeit bei der Richtungsbestimmung als lange Teilchenspuren, sind aber im südlichen Himmel, wo sich das galaktische Zentrum befindet, vorteilhaft. Sie reduzieren die atmosphärische Neutrino-Kontamination bei Energien im Teraelektronenvolt-Bereich um etwa eine Größenordnung und ermöglichen eine Analyseschwelle von etwa 1 TeV.
Tiefe neuronale Netze erhöhten die nutzbare Stichprobengröße signifikant. Die neue Selektionsmethode erfasste mehr als 20-mal mehr Ereignisse als die Methode, die in der früheren IceCube-Kaskadenanalyse der galaktischen Ebene verwendet wurde. Zudem verbesserte sie die Winkelauflösung bei Teraelektronenvolt-Energien um bis zu das Zweifache.
Die Forscher analysierten Daten, die von Mai 2011 bis Mai 2021 gesammelt wurden. Die endgültige Stichprobe umfasste 59.592 Ereignisse und deckte das gesamte Himmelsspektrum von 500 GeV bis zu mehreren Petaelektronenvolt ab. Die zuvor ausgewählten Daten enthielten 1.980 Ereignisse aus sieben Beobachtungsjahren.
Es wird geschätzt, dass etwa 6% der endgültigen Probe atmosphärische Myonen und etwa 7% astrophysikalische Neutrinos waren. Die verbleibenden 87% waren atmosphärische Neutrinos.
Die galaktische Ebene sticht hervor
Die Analyse testete drei Modelle der diffusen Neutrinoemission aus der Milchstraße. Jedes basierte auf Gammastrahlenbeobachtungen, verwendete jedoch unterschiedliche Annahmen bezüglich des Verhaltens kosmischer Strahlung und der Strahlungsverteilung.
Die Ebene der Milchstraße in Photonen und Neutrinos. (Bildnachweis: Chad Finley et al., Neutrino Astrophysics)
Alle drei Modelle lieferten Ergebnisse, die die auf Basis der Hintergrunddaten allein erwarteten Werte übertrafen. Die Signifikanzwerte dieser Ergebnisse betrugen 4,71 σ, 4,37 σ und 3,96 σ. Nach einer konservativen Anpassung für die Prüfung von drei verwandten Modellen lag das stärkste Ergebnis bei 4,48 σ.
Ein Modell sagte eine gleichmäßigere Verteilung der Neutrinos entlang der galaktischen Ebene voraus, während andere eine stärkere Strahlungskonzentration in der Nähe des galaktischen Zentrums annahmen. Die Daten erlaubten es uns nicht, zu bestimmen, welches Modell die tatsächliche Verteilung der Quellen am besten beschreibt.
Eine separate Himmelsdurchsuchung untersuchte einzelne Regionen. Einige erhöhte Werte fielen mit bekannten Gammastrahlenquellen zusammen, darunter der Krebsnebel, 3C 454.3 und die Region Cygnus X. Keiner dieser Werte blieb nach Berücksichtigung mehrerer untersuchter Regionen statistisch signifikant.
Dies deutet darauf hin, dass das galaktische Signal nicht durch eine einzelne, offensichtliche Punktquelle bestimmt wird.
Die Suche in Katalogen, darunter Supernovaüberreste, durch Pulsarwinde entstandene Nebel und unidentifizierte galaktische Gammastrahlenquellen, ergab Überschusswerte von 3σ oder höher. Das Team beanspruchte nicht, die Objekte entdeckt zu haben, da diese sich mit Regionen überschneiden, in denen diffuse galaktische Strahlung am stärksten erwartet wird.
Das Zentrum der Galaxie könnte aktiver sein als bisher angenommen.
Der beobachtete Neutrinofluss wirft wichtige Fragen auf. In einem einfacheren Modell neutraler Pionen lag der beste Wert für den Hochenergiefluss etwa fünfmal höher als die Vorhersage des Modells.
Beitrag zur Teststatistik der galaktischen Ebene. Der Beitrag zur τ-Teststatistik wird in galaktischen Koordinaten (Länge l und Breite b) für jedes der drei getesteten Modelle der galaktischen Ebene dargestellt. Der Gesamtwert der Teststatistik wurde durch Integration über den gesamten Himmel ermittelt. (Quelle: Chad Finley et al., Neutrino Astrophysics)
Die Diskrepanz könnte auf Unterschiede in der Ausbreitung kosmischer Strahlung in der Nähe des galaktischen Zentrums, auf Veränderungen in ihrem Energiespektrum oder auf einen Beitrag von nicht aufgelösten Neutrinoquellen zurückzuführen sein.
Die Testergebnisse sprachen für eine diffuse Emission entlang der galaktischen Ebene, die Daten erlaubten jedoch keine sichere Unterscheidung zwischen den getesteten Modellen oder die Identifizierung eingebetteter Punktquellen.
Je nach Modell liegt das geschätzte Signal aus der Milchstraße zwischen 6% und 13% des zuvor beobachteten astrophysikalischen Neutrinoflusses von 30 TeV.
«Bisherige IceCube-Entdeckungen betrafen Neutrinoemissionen aus viel größeren Entfernungen, und es ist wirklich aufregend, dass wir jetzt ein Neutrinobild unserer eigenen Galaxie sehen können», sagte Claes Hultqvist, Professor am Fachbereich Physik der Universität Stockholm.
Praktische Implikationen der Studie
Die Ergebnisse bieten Astronomen eine weitere Möglichkeit, Teilchenwechselwirkungen innerhalb der Milchstraße zu untersuchen. Neutrinos breiten sich mit minimalen Störungen aus, wodurch sie Wechselwirkungen kosmischer Strahlung selbst an Orten verfolgen können, an denen Photonen absorbiert oder verändert werden könnten.
Im nächsten Schritt gilt es zu ermitteln, ob bestimmte galaktische Objekte zu dem Signal beitragen und wie viel davon auf diffuse Wechselwirkungen mit interstellarem Gas zurückzuführen ist.
«Dies eröffnet Möglichkeiten zur Untersuchung weiterer Prozesse mithilfe von Neutrinos. Der erste Schritt besteht darin, Objekte in der Milchstraße als Neutrinoquellen zu identifizieren. IceCube-Gen2, die von uns geplante Erweiterung von IceCube, wird uns eine deutlich höhere Empfindlichkeit für weitere Untersuchungen galaktischer Ereignisse bieten.».
Erfahren Sie mehr über galaktische Neutrinos und kosmische Strahlung.
Diese Materialien beschreiben, wie Astronomen die Neutrinokarte der Milchstraße verfeinern, nach spezifischen galaktischen Quellen suchen und Neutrinobeobachtungen mit kosmischer Strahlung und Gammastrahlen vergleichen.
Galaktischer Neutrinohimmel: Gammastrahlenvorhersagen. Diese aktuelle Analyse nutzt galaktische Gammastrahlenmessungen, um Vorhersagen für den Hochenergie-Neutrinohimmel zu verfeinern und zu untersuchen, was gegenwärtige und zukünftige Beobachtungen über die Wechselwirkungen kosmischer Strahlung in der Milchstraße aussagen können. (arXiv, 2026)
Die IceCube-Forscher messen den Neutrinofluss in der galaktischen Ebene und suchen mithilfe der Multi-Flavor-Neutrino-Stichprobe nach galaktischen Pevatrons. Sie kombinieren über zwölf Jahre Beobachtungserfahrung mit verschiedenen Arten von Neutrinoereignissen, um die Messungen in der galaktischen Ebene zu verbessern und nach leistungsstarken kosmischen Strahlungsbeschleunigern zu suchen, darunter auch Kandidaten in der Schwan-Region. (Internationale Konferenz über kosmische Strahlung, 2025)
Analyse des diffusen astrophysikalischen Flusses aus der galaktischen Ebene anhand von 12,1 Jahren IceCube-Daten: Anfangsspuren, durchgehende Spuren und Kaskaden. Diese IceCube-Analyse kombiniert drei Detektionskanäle, um das galaktische Neutrinospektrum im TeV- bis PeV-Energiebereich zu messen und verschiedene Regionen der Milchstraße mit geringerer Abhängigkeit von festen Emissionsmodellen zu untersuchen. (Internationale Konferenz über kosmische Strahlung, 2025)
Ursprung der diffusen Gammastrahlung sehr hoher Energie. Diese Studie untersucht den Ursprung der diffusen Gammastrahlung sehr hoher Energie in der Milchstraße und ihren Zusammenhang mit Wechselwirkungen kosmischer Strahlung. Sie liefert damit einen wichtigen Kontext für die Interpretation galaktischer Neutrinos. (Astronomie und Astrophysik, 2025)
Charakterisierung des astrophysikalischen diffusen Neutrinoflusses anhand von Startspurereignissen des IceCube-Teleskops. Diese Studie, basierend auf mehr als einem Jahrzehnt IceCube-Beobachtungen, misst ein breiteres astrophysikalisches Neutrinospektrum und trägt so dazu bei, den hochenergetischen Neutrinohintergrund zu bestimmen, vor dessen Hintergrund der Beitrag der Milchstraße verstanden werden muss. (Physical Review D, 2024)
Die Ergebnisse der Studie sind elektronisch in der Zeitschrift Science verfügbar.
Der Originalartikel mit dem Titel «Milchstraße leuchtet hell auf erstmaliger Neutrinoaufnahme» wurde von The Brighter Side of News veröffentlicht.
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