Jsou to drobné vysokoenergetické částice. Létají proklatě rychle a dokážou prostupovat hmotou, aniž by měnily svou strukturu. Vaším tělem jich právě teď procházejí stovky miliard.

Nazývají se neutrina, rodí se například při jaderné fúzi uvnitř hvězd nebo při explozích supernov a pro jejich vlastnosti se jim říká částice duchů.

Astronomové je dokázali vystopovat do centra Mléčné dráhy a sestavili z nich unikátní zářivý portrét naší domovské galaxie. Částice duchů při tom chytali teleskopem zabudovaným hluboko v antarktickém ledu.

Svou práci, jejímž výsledkem je působivý portrét Mléčné dráhy, popisují vědci ve studii publikované v magazínu Science.

Temná past pod polárním ledem

V průběhu let astronomové předvedli ohromující obrazy Mléčné dráhy získané z elektromagnetického záření, viditelného světla nebo rádiových vln. Nový pohled na naši galaxii je ale založený na částicích hmoty, nikoli na energii.

Neutrina, která vědci použili, je obtížné zaznamenat, protože jen zřídkakdy interagují s hmotou. Když se ale částice duchů srazí s jinou částicí, vznikne slabý záblesk světla. Právě takové záblesky mohou odhalit podzemní detektory, izolované od ostatních zdrojů záření.

Každý z těchto proužků zobrazuje Mléčnou dráhu různými technikami. Nahoře je optický snímek, na kterém je jasně vidět prach a plyn v rovině galaxie. Pod ním jsou pozorování gama záření z dvanáctiletého průzkumu Fermi-LAT. Další dva pruhy ukazují neutrina, která astronomové očekávali na základě přítomnosti gama záření. Dole jsou pozorované zdroje neutrin pomocí nové techniky. | zdroj: Kredit-IceCube Collaboration

Mezinárodní tým vědců využil k „odchytu“ částic duchů a ke stopování jejich původu „obří kostku ledu“ – neutrinovou observatoř IceCube na Amundsenově-Scottově stanici na jižním pólu.

Detektor IceCube, který byl uveden do provozu v roce 2010, je největší svého druhu. Observatoř může sledovat neutrina až v miliardě tun antarktického ledu.

Tvoří ho 86 šachet vyvrtaných proudem horké vody na ploše jednoho čtverečního kilometru. Na dně šachet o hloubce 2,4 kilometru, kde panuje naprostá tma, je rozprostřena síť 5 160 světelných senzorů.

Při vzájemném působení neutrin a ledu vznikají nepatrné světelné obrazce, které IceCube dokáže zaznamenat. Některé z těchto světelných obrazců ukazují na konkrétní oblasti oblohy, což astronomům umožňuje vysledovat, odkud přilétají.

V jednom případě z roku 2018 se vědcům podařilo pomocí IceCube vystopovat původ neutrina, které k Zemi putovalo 3,7 miliardy světelných let.

Splnili si neutrinový sen

K analýze původu neutrin použili výzkumníci algoritmus strojového učení, který vytvořili doktorandi Steve Sclafani z Drexelovy univerzity ve Filadelfii a Mirco Hünnefeld z Technické univerzity v Dortmundu.  Algoritmus porovnává velikost, energii a poměrnou polohu více než 60 000 neutrinových světelných obrazců, které IceCube zaznamenal v průběhu 10 let.

Experti strávili více než dva roky testováním algoritmu, než mu poskytli data z IceCube. Konečným výsledkem je obraz jasných bodů v Mléčné dráze, které vyzařují neutrina, a tak vytvářejí dosud neznámý obraz naší galaxie.

„Vidět naši galaxii pomocí neutrin je něco, o čem jsme snili, ale co se zdálo být pro náš projekt po mnoho let nedosažitelné. To, co umožnilo tento výsledek, je revoluce v oblasti strojového učení, která nám dovolila prozkoumat data mnohem důkladněji než dříve,“ cituje žurnál Astronomy Chada Finleye, docenta fyziky na Stockholmské univerzitě a člena týmu IceCube.

„Vzpomínám si, jak jsem si při prvním pohledu na výsledek řekla: ‚V tomto okamžiku lidské historie jsme já, Steve a Mirco první, kdo vidí naši galaxii jinak než ve světle,‘“ vypovídá Naoko Kurahashi Neilsonová, docentka fyziky na Drexelově univerzitě, která se na honu na neutrina podílela.

A proč je obraz složený z neutrin tak důležitý? Pozorování pomocí částic duchů má obrovské výhody. Prach, který prostupuje galaxiemi a zahaluje černé díry, rozptyluje tolik fotonů, že běžné teleskopy za něj nevidí.

Neutrina umožňují proniknout skrz prach a pozorovat galaxie nebo nebeská tělesa, která jinak nejsme schopni spatřit.

„Když teleskop poskytuje obraz vesmíru, neutrinová observatoř vytváří rentgenový snímek,“ upozorňuje astronomka Christina Love, která se na studii podílela.

A další cíle vědců kolem „kostky ledu“? Naoko Nielsenová má o nich jasnou představu: „Doufejme, že za dalších deset let se vrátíme s obrazem celého vesmíru, nikoli ve světle, ale v neutrinech. To je cíl mé kariéry,“ říká fyzička.