Η πρώτη φωτογραφία νετρίνων υψηλής ενέργειας του γαλαξία μας

Πριν το 1923 συνηθίζαμε να βλέπουμε τον γαλαξία μας μόνο μέσα από το ορατό φως και μάλιστα πιστεύαμε ότι ολόκληρο το σύμπαν είναι ο γαλαξίας μας. Στην πορεία, με την εξέλιξη των οργάνων παρατήρησης, καταφέραμε να εντοπίσουμε και άλλους γαλαξίες, ανακαλύπτοντας έτσι ότι το σύμπαν είναι κάτι πολύ μεγαλύτερο. Μπορέσαμε επίσης να φωτογραφίσουμε και να δούμε τον γαλαξία μας σε διαφορετικά μήκη κύματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Αυτό μας βοήθησε να εντοπίσουμε γεγονότα που λαμβάνουν χώρα μέσα στον γαλαξία μας, τα οποία δεν εμφανίζονται στο ορατό φάσμα του φωτός, παρέχοντας μας έτσι νέα δεδομένα για την διασταύρωση των θεωριών μας, αλλά και δεδομένα για την κατασκευή νέων θεωρητικών μοντέλων που περιγράφουν τα νέα απαρατήρητα μέχρι πρωτίνως φαινόμενα. Πλέον, έπειτα από την ανακοίνωση του IceCube Neutrino Observatory είμαστε σε θέση να δούμε τον γαλαξία μας μέσα από τα μάτια των νετρίνων πολύ υψηλής ενέργειας (εικόνα 1, φωτογραφία 3).

Εικόνα 1: Ο γαλαξίας μας όπως φαίνεται από την Γη στο ορατό φως (φωτογραφία 1), στις ακτίνες γ (φωτογραφία 2) και μέσα από τα νετρίνο υψηλής ενέργειας (φωτογραφία 3). 

Τα νετρίνο υψηλής ενέργειας είναι σωματίδια που εκπέμπονται από περιοχές του γαλαξία μας (και όχι μόνο) στις οποίες λαμβάνουν χώρα βίαια γεγονότα. Τα γεγονότα αυτά ενδέχεται να είναι έκρηξης σούπερνοβα, παλσάρς ή και περιοχές γύρω από μαύρες τρύπες με έντονη ενεργειακή δραστηριότητα. Τα φαινόμενα αυτά επιταχύνουν σε τεράστιες ταχύτητες φορτισμένα σωματίδια, όπως πυρήνες ατόμων, που συνηθίζουμε να τα ονομάζουμε κοσμικές ακτίνες. Στις μέρες μας είμαστε σε θέση να εντοπίσουμε τις συγκρούσεις των κοσμικών ακτίνων με τα σωματίδια της γήινης ατμόσφαιρας, καθώς κατά τις συγκρούσεις αυτές παράγονται χιονοστιβάδες νέων σωματιδίων, όπως ακριβώς συμβαίνει και στις συγκρούσεις σωματιδίων στο LHC του CERN (Εικόνα 2). Βέβαια, οι κοσμικές ακτίνες έχουν ταχύτητες που είναι ακατόρθωτο να επιτευχθούν στους γήινους επιταχυντές σωματιδίων. Έτσι, οι κοσμικές ακτίνες αποτελούν ένα γαλαξιακό πειραματικό κέντρο επιτάχυνσης σωματιδίων που μπορεί να μας βοηθήσει στο μέλλον να ξεπεράσουμε τα όρια των επίγειων επιταχυντών σωματιδίων, παρέχοντας μας πληροφορίες για τη διασταύρωση της ορθότητας νέων θεωριών που είναι ακατόρθωτο να ελεγχθούν στους επίγειους επιταχυντές σωματιδίων, όπως για παράδειγμα η θεωρία των χορδών.

Εικόνα 2: Καλητεχνικη αναπαράσταση των κοσμικών ακτίνων την στιγμή της συγκρούσεις με την ατμόσφαιρα της Γης. Credit: Javier Zarracina/Vox; NASA

Ο μηχανισμός που επιταχύνει τις κοσμικές ακτίνες και τους προσδίδει τέτοια υπέρογκα ποσά κινητικής ενέργειας είναι ακόμα άγνωστος, όπως επίσης άγνωστη είναι η ακριβής προέλευσή τους από σημεία στο εσωτερικό του γαλαξία μας. Ο λόγος της άγνοιάς μας αυτής είναι ότι οι κοσμικές ακτίνες, ως φορτισμένα σωματίδια, αλλάζουν συνεχώς την πορεία τους όταν ταξιδεύουν μέσα στον γαλαξία μας λόγω των μαγνητικών πεδίων που συναντούν στον δρόμο τους. Συνεπώς, έως σήμερα, οι κοσμικές ακτίνες που προέρχονται από τον γαλαξία μας, αν και έχουν πολύ υψηλό ερευνητικό ενδιαφέρον λόγω των υψηλών ενεργειών τους, παραμένουν ένα μυστήριο.

Φως στο μυστήριο αυτό ρίχνουν τα νέα παρατηρησιακά δεδομένα από το IceCube, καθώς τα νετρίνα υψηλής ενέργειας ως ηλεκτρικά ουδέτερα σωματίδια δεν επηρεάζονται από τα μαγνητικά πεδία, με αποτέλεσμα να ταξιδεύουν εντός του γαλαξία μας σε ευθείες τροχιές (γεωδαισιακές). Αυτό μας παρέχει, για πρώτη φορά στην ιστορία της ανθρωπότητας, έμμεσες πληροφορίες για την τοποθεσία των σημείων του γαλαξία μας, από τα οποία παράγονται οι κοσμικές ακτίνες. Αναφέρομαι σε αυτό το σημείο στη λέξη 'έμμεσες' και όχι 'άμεσες' πληροφορίες, καθώς τα νέα δεδομένα του IceCube αποτυπώνουν τις κατευθύνσεις από τις οποίες δεχόμαστε τα λεγόμενα "cascade" νετρίνο υψηλής ενέργειας, τα οποία είναι δευτερογενή νετρίνο που δημιουργούνται από τη σύγκρουση κοσμικών ακτίνων στα νεφελώματα του γαλαξία μας.

Εικόνα 3: Best-fit pre-trial significance ως συνάρτηση της κατεύθυνσης εντοπισμού των νετρίνων, σε ισημερινές συντεταγμένες. Το γαλαξιακό επίπεδο υποδεικνύεται με μια γκρίζα καμπύλη και το Γαλαξιακό κέντρο ως κουκκίδα. Credit: IceCube Collaboration

Όπως και να έχει, η εικόνα που δημοσίευσε το πείραμα IceCube αποτελεί την πρώτη "φωτογραφία" νετρίνων υψηλής ενέργειας του γαλαξία μας, ανοίγοντας έτσι ένα νέο παράθυρο παρατήρησης του κόσμου γύρω μας μέσω των νετρίνων. Το παράθυρο αυτό καταφέραμε να το ανοίξουμε με τη βοήθεια της τεχνητής νοημοσύνης, και αυτό οφείλουμε να το αναφέρουμε, καθώς χάρη σε αυτήν καταφέραμε να βελτιώσουμε την ευαισθησία της ανάλυσης δεδομένων μας κατά έναν συντελεστή ίσο με 3. Αν δεν είστε εξοικειωμένοι με τον όρο ευαισθησία, σκεφτείτε ότι για να καταφέρουμε να επιτύχουμε τα αποτελέσματα της νέας έρευνας αυτής χρησιμοποιώντας την παλιά μέθοδο ανάλυσης δεδομένων που είχαμε, θα χρειαζόταν να συλλέγουμε πληροφορίες για επιπλέον 75 χρόνια. Οπότε όχι μόνο εξοικονομήσαμε 75 χρόνια παρατήρησης και συλλογής δεδομένων, αλλά εξοικονομήσαμε και παραπάνω από μισό δισεκατομμύριο ευρώ, που θα χρειαζόμασταν για να τρέξουμε το πείραμα του IceCube για όλα αυτά τα χρόνια.

Τους καρπούς της έρευνας του IceCube θα τους γευτούμε τα χρόνια που μας έρχονται, καθώς το παράθυρο της παρατήρησης του γαλαξία μας μέσα από τα νετρίνο μόλις άνοιξε. Ενδέχεται στο μέλλον να κάνουμε και κοσμολογία μέσα από την παρατήρηση των κοσμικών νετρίνων, αρκεί μόνο να σκεφτούμε ότι τα νετρίνο είναι ασθενώς αλληλεπιδρώντα σωματίδια, και μια ενδεχόμενη παρατήρηση αρχέγονων νετρίνων θα μας παρείχε πληροφορίες για χρονολογίες πριν τη στιγμή του Recombination, δηλαδή για στιγμές πριν από τα 380.000 χρόνια μετά τη γέννηση του σύμπαντος. Όπως και να έχει, η έρευνα με τίτλο "Observation of high-energy neutrinos from the Galactic plane" είναι η αρχή μιας νέας εποχής στον κόσμο της Φυσικής και αυτό είναι ξεκάθαρο.

Πηγές:

[1] “Observation of high-energy neutrinos from the Galactic plane” The IceCube Collaboration: R. Abbasi et al., Science 380, 6652 (2023), DOI:10.1126/science.adc9818

[2] Observation of high-energy neutrinos from the Galactic plane Webinar link