我們的銀河係是夜空中一個令人敬畏的特徵，用肉眼就可以看到一條從地平線到地平線的朦朧星帶。現在，冰立方中微子天文台（IceCube Neutrino Observatory）首次利用中微子–微小的、幽靈般的天文信使–製作了一幅銀河系的圖像。在6月30日發表在《科學》雜誌上的一篇文章中，由350多名科學家組成的國際小組–冰立方合作組提出了來自銀河系的高能中微子發射的證據。

高能中微子的能量比為恆星提供動力的核聚變反應產生的能量高幾百萬到幾十億倍，由冰立方中微子觀測站探測到，這是一個在阿蒙森-斯科特南極站運行的千兆探測器。它的建造和運行得到了美國國家科學基金會（NSF）的資助和冰立方合作組織機構成員所在的14個國家的額外支持。

中微子視圖（藍天地圖）在銀河系的藝術家印象前。資料來源：冰立方合作組織/CRC1491的科學交流實驗室

這個獨一無二的探測器涵蓋了一立方公里的南極深層冰，上面裝有5000多個光傳感器。冰立方搜索來自我們銀河系和其他地方的高能中微子的跡象，直到宇宙的最遠處。

威斯康星大學麥迪遜分校物理學教授、冰立方首席研究員弗朗西斯-哈爾森說：”令人感興趣的是，與任何波長的光的情況不同，在中微子中，宇宙比我們銀河系中的附近來源更亮。”

美國國家科學基金會物理部主任丹尼斯-考德威爾（Denise Caldwell）說：”正如經常發生的那樣，科學上的重大突破是由技術的進步促成的。”高靈敏度的冰立方探測器所提供的能力，加上新的數據分析工具，使我們對我們的星係有了一個全新的看法–以前只是暗示過。隨著這些能力的不斷完善，我們可以期待看到這幅圖景以越來越高的分辨率出現，可能會揭示出人類從未見過的銀河系的隱藏特徵。”

冰立方實驗室在星空下的景色，顯示出銀河和綠色極光。資料來源：Yuya Makino, IceCube/NSF

宇宙射線–高能質子和較重的核子，也產生於我們的銀河系–與銀河系氣體和塵埃之間的相互作用不可避免地產生伽馬射線和中微子。鑑於對來自銀河系平面的伽馬射線的觀察，銀河係被期望成為高能中微子的來源。

德雷塞爾大學物理學博士生、冰立方成員、聯合首席分析員Steve Sclafani說：”現在已經測量到了中微子的對應物，從而證實了我們對銀河系和宇宙射線源的了解。”

搜索的重點是南部天空，預計在我們銀河系的中心附近，來自銀河系平面的中微子發射大部分都在那裡。然而，直到現在，宇宙射線與地球大氣層相互作用產生的μ子和中微子的背景構成了重大挑戰。

弗朗西斯-哈爾岑，冰立方首席科學家和華盛頓大學麥迪遜分校的教授。資料來源：EL PAIS/BERNARDO PÉREZ

為了克服這些挑戰，德雷塞爾大學的冰立方合作者開發了選擇”級聯”事件的分析方法，即冰中的中微子相互作用導致了大致球形的光束的出現。由於來自級聯事件的沉積能量開始於儀器的體積內，大氣中的μ子和中微子的污染就會減少。最終，級聯事件的純度較高，對來自南方天空的天體物理中微子有更好的敏感性。

然而，最終的突破來自於機器學習方法的實施，該方法由多特蒙德工業大學的冰立方合作者開發，改善了對中微子產生的級聯的識別，以及它們的方向和能量重建。對來自銀河系的中微子的觀測是機器學習在冰立方的數據分析和事件重建中提供的新興關鍵價值的一個標誌。

冰立方成員、多特蒙德大學物理學博士生、聯合首席分析員Mirco Hünnefeld說：”改進後的方法使我們能夠保留超過一個數量級的中微子事件，並進行更好的角度重建，從而使我們的分析比以前的搜索要敏感三倍。”

研究中使用的數據集包括60,000個橫跨10年冰立方數據的中微子，是之前使用級聯事件分析銀河系平面所選事件的30倍。這些中微子與以前發表的預測圖進行了比較，這些預測圖顯示了銀河系在天空中預計會閃現中微子的位置。

這些地圖包括一個通過推斷費米大面積望遠鏡對銀河系的伽馬射線觀測結果製成的地圖，以及兩個被製作這些地圖的理論家小組確定為KRA-伽馬的替代地圖。

多特蒙德工業大學物理學教授、冰立方成員、Hünnefeld的顧問Wolfgang Rhode說：”這個期待已久的星系中宇宙射線互動的探測也是一個精彩的例子，說明當機器學習中的現代知識發現方法被持續應用時，可以取得什麼樣的成果。”

機器學習的力量提供了巨大的未來潛力，使其他的觀測更接近於可及。

佐治亞理工學院物理學教授、冰立方發言人Ignacio Taboada說：”銀河係作為高能中微子來源的有力證據已經經受住了合作的嚴格考驗。下一步是確定星系內的具體來源。”

這些和其他問題將在冰立方計劃的後續分析中得到解決。

德雷塞爾大學物理學教授、冰立方成員、Sclafani的顧問Naoko Kurahashi Neilson說：”首次使用粒子而不是光來觀測我們自己的星係是一個巨大的進步。隨著中微子天文學的發展，我們將得到一個觀察宇宙的新鏡頭。”