Spökpartiklar från de mörka områdena i vår galax

2023-12-04

Forskare förklarar: I somras blev det stor uppståndelse när forskare knutna till IceCube-teleskopet visade upp den första neutrinobilden av Vintergatan i tidskriften Science. Professor Olga Botner hjälper oss att ta på neutrinoglasögonen och berättar vad det är vi ser.

En bild som visar Vintergatan avbildad efter där man lokaliserat neutriner. Ser ut som en rymdbild med ett blått lysande stråk i mitten. 
Neutrinobilden av Vintergatan ovan är skapad av en konstnär men är baserad på observationer och mätningar vid IceCube-teleskopet. Credit: IceCube Collaboration/U.S. National Science Foundation (Lily Le & Shawn Johnson)/ESO (S. Brunier)

Det var tack vare IceCube-teleskopet på Sydpolen som forskare tidigare i år kunde visa den första neutrinobilden av vår galax Vintergatan. Studien publicerades i tidskriften Science och bygger på flera års observationer vid forskningsanläggningen på Antarktis.

Porträtt Olga Botner
Olga Botner, seniorprofessor i fysik. Foto: Mikael Wallerstedt

Olga Botner är en av forskarna bakom artikeln. Hon har varit kopplad till teleskopen på Sydpolen sedan 1998 och har ägnat en stor del av sitt yrkesliv åt att studera neutriner.

− De har varit kända inom kärnfysiken sedan 1930-talet, men är väldigt svåra att upptäcka. De har ingen elektrisk laddning, de har väldigt liten massa och de krockar väldigt sällan. Det är därför man kallar dem spökpartiklar, för att de kan gå igenom massa material utan att krocka, säger Olga Botner seniorprofessor i fysik vid Uppsala universitet.

Teleskop som ligger under isen

Neutriner kan till exempel röra sig fritt genom jordklotet utan att kollidera. Det är först när de krockar som man kan se dem. Och det är just detta som IceCube är byggt för att fånga upp. De 5 000 detektorerna i teleskopet sitter jämt utspridda över 1 kubikkilometer is, ungefär två kilometer ner i glaciären.

− Detektorerna registrerar när en neutrino krockar med ismolekylerna i IceCube och det är så man kan se att det kommit en neutrino. Då man kan ta reda på var den kommer ifrån.

När neutrinon krockar förstörs den och genererar en skur av sekundärpartiklar som rör sig i samma riktning. Genom att mäta energin hos de här partiklarna kan man ta reda på vad neutrinon hade för energi. Man registrerar även hur skuren rör sig genom isen och kan då räkna bakåt och se vilket håll den kommit ifrån. Och det är alltså sådana uträkningar som ligger till grund för neutrinobilden.

− Vi har använt oss av maskininlärning för att ta fram bilden. Ska man förklara det väldigt populärvetenskapligt kan man säga att vi nu kan se Vintergatan med neutrinoglasögon, vi ser vår galax på ett sätt vi aldrig tidigare kunnat se den.

Figur från artikeln i Science som visar de fält där man observerat högst neutrinotäthet. 
Figuren visar vad IceCube faktiskt observerat. De mörka områdena är de regioner där man observerat flest neutriner. Ju mörkare – desto större neutrinotäthet. Foto från Scienceartikeln “Observation of high-energy neutrinos from the Galactic plane” The IceCube Collaboration: R. Abbasi et al., Science 380, 6652 (2023).
En bild som visar vintergatan avbildad efter där man lokaliserat neutriner. Ser ut som en rymdbild med ett blått lysande stråk i mitten. 
Neutrinobilden är konstruerad av en konstnär utifrån IceCubes uträkningar i bilden ovan. Credit: IceCube Collaboration/U.S. National Science Foundation (Lily Le & Shawn Johnson)/ESO (S. Brunier)

Öppnar upp för en ny typ av astronomi

Olga Botner förklarar vidare att man kan titta på en galax från olika håll. Sedd från ovan liknar den en snurra med tydlig kärna och spiralarmar som sträcker sig ut. Man kan också titta på den från sidan.

− Ofta när vi ser Vintergatan fotograferad i optiskt ljus, eller med radiofrekvenser så är det från sidan, vi ser den här skivan och den centrala kulan. Neutrinobilden är sedd från samma vinkel.

De satellitbilder som man vanligtvis ser av Vintergatan visar ljusa fält där stjärntätheten är hög samt mörka fläckar där ljuset inte tränger igenom. Om man letar neutriner så är de här mörka områdena speciellt intressanta.

− Neutrinerna alstras ofta i de här områdena där ljuset inte tränger igenom eftersom det är där det är mest stoft. Om du tar på dig neutrionoglasögonen så träder de här områdena fram.

Bilden visar ett ljust band av stjärnor som är täckta av svarta sjok.
Bildtext: Här syns stjärntätheten i vår egen Vintergata. De ljusa områdena innehåller många stjärnor. De mörka områdena har täta sjok av stoft. Det är i de mörka områdena som neutrinerna ofta alstras. Bilden är konstruerad utifrån observationer med Gaiasatelliten. Foto: ESA/Gaia/DPAC; CC BY-SA 3.0 IGO. Acknowledgement: A. Moitinho

Forskarna har lyckats att fånga neutriner från fler galaxer. Olga Botner menar att dessa framsteg kommer bana väg för nya sätt att studera universum.

− Bilderna öppnar upp för neutrinoastronomi. Astronomi har traditionellt handlat mycket om att studera ljus i olika våglängder. Här visar vi att man kan bedriva astronomi med annan sorts strålning.

IceCube-teleskopets forskningsanläggning fotad så man ser både Vintergatan och norrsken i bakgrunden.
Bildtext: IceCube-teleskopets detektorer ligger djupt ner i glaciären. I bakgrunden av själva forskningsanläggningen i bild syns Vintergatan och norrsken. Foto: Yuya Makino, IceCube/NSF

Fördjupning

Den första neutrinobilden av Vintergatan

”Observation of High-Energy Neutrinos from the Galactic Plane” i tidskriften Science

Senast uppdaterad: 2023-08-04