科学家拍摄到的首张银河系幽灵粒子图像

从可见星光到无线电波，长期以来人们一直通过银河系发出的各种频率的电磁辐射来观察它。科学家们现在通过确定数千个中微子的银河起源，揭示了我们银河系的独特图像。中微子是看不见的“幽灵粒子”，它们大量存在，但通常直接穿过地球而不被发现。基于中微子的银河系图像是同类中的第一张：由物质粒子而不是电磁能制成的银河肖像。

这一突破是由研究人员利用国家科学基金会支持的位于南极洲的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合作实现的。这个巨大的天文台通过使用埋在一立方公里的透明原始冰层深处的数千个网络传感器来探测来自太空的高能中微子的微妙迹象。结果今天在德雷克塞尔大学的一次活动中公布，并将于明天发表在《科学》杂志上。

“我记得我说过，‘在人类历史的这个时刻，我们是第一批在光以外的任何东西下看到银河系的人，’”德雷克塞尔大学物理学家 Naoko Kurahashi Neilson 谈到她和两名博士生 Steve Sclafani 的那一刻时说道。德国多特蒙德工业大学的 Drexel 和 Mirco Hünnefeld 首先检查了该图像。Kurahashi Neilson 提出了用于生成图像的创新计算分析，并通过 NSF 教师早期职业发展计划获得了资金来实现她的想法。

国家科学基金会物理部主任丹尼斯·考德威尔说：“正如通常的情况一样，科学上的重大突破是通过技术进步实现的。” “高度灵敏的 IceCube 探测器提供的功能，加上新的数据分析工具，让我们对银河系有了全新的认识——以前只是暗示过这一点。随着这些功能的不断完善，我们可以期待观看这张图片以不断增加的分辨率出现，有可能揭示人类从未见过的银河系隐藏特征。”

威斯康星大学麦迪逊分校的物理学家、IceCube 的首席研究员弗朗西斯·哈尔森 (Francis Halzen) 表示：“有趣的是，与任何波长的光不同，在中微子中，宇宙中的中微子比我们银河系中附近的中微子还要耀眼。”

除了探测众所周知难以捉摸的中微子(并将它们与其他种类的星际粒子区分开来)这一艰巨的挑战之外，还有一个更雄心勃勃的目标：确定它们的来源。当中微子碰巧与 IceCube 下方的冰相互作用时，这些罕见的相遇会产生微弱的光图案，IceCube 可以检测到这些图案。一些光图案具有高度方向性，清楚地指向天空的特定区域，使研究人员能够确定中微子的来源。这种相互作用是IceCube Collaboration 在 2022 年发现来自 4700 万光年外另一个星系的中微子的基础。

仓桥尼尔森说，其他相互作用的方向性要差得多，会在透明的冰中产生级联的“毛茸茸的光球”。她的 IceCube Collaboration 成员 Sclafani 和 Hünnefeld 开发了一种机器学习算法，比较了 IceCube 10 年来记录的 60,000 多个此类中微子产生的级联光的相对位置、大小和能量。

这三位研究人员花了两年多的时间，使用模拟中微子检测的人工数据仔细测试和验证了他们的算法。当他们最终将 IceCube 提供的真实数据输入算法时，出现了一张图片，显示了与银河系中疑似发射中微子的位置相对应的亮点。这些地点观测到的伽马射线被认为是宇宙射线与星际气体碰撞的副产品，理论上也应该产生中微子。

斯克拉法尼说：“现已测量到中微子对应物，从而证实了我们对银河系和宇宙射线源的了解。”

几十年来，科学家通过扩展观测宇宙的方法，揭示了无数的天文学发现。射电天文学和红外天文学等曾经具有革命性的进步，与利用引力波和现在的中微子等现象的新型观测技术相结合。仓桥尼尔森说，基于中微子的银河系图像是这一发现的又一步。她预测中微子天文学将像之前的方法一样得到磨练，直到它也能揭示宇宙以前未知的方面。

“这就是我们做我们所做的事情的原因，”她说。“看到从未见过的事物，了解我们未曾理解的事物。”