Neutrini: Ο αλγόριθμος που φέρνει τους επιστήμονες πιο κοντά στα μυστικά του Σύμπαντος

Μπορεί ένα σωματίδιο σχεδόν αόρατο να κρύβει απαντήσεις για μερικά από τα πιο βαθιά μυστήρια της αστρονομίας; Η ερευνητική ομάδα του Ruhr University Bochum (RUB) πιστεύει πως ναι. Με την ανάπτυξη ενός νέου αλγορίθμου, οι επιστήμονες μπορούν πλέον να εντοπίζουν την προέλευση ενός νετρίνο μέσα σε μόλις 30 δευτερόλεπτα!. Πρόκειται για μια τεχνολογική τομή που αλλάζει τα δεδομένα στο IceCube Neutrini Observatory, τον τεράστιο ανιχνευτή που βρίσκεται θαμμένος στον πάγο του Νότιου Πόλου.

Η δυνατότητα να στρέφονται τα τηλεσκόπια σχεδόν σε πραγματικό χρόνο προς το σημείο του ουρανού όπου καταγράφηκε ένα τέτοιο σωματίδιο είναι ένα τεράστιο βήμα για τη λεγόμενη «πολυαγγελιαφόρο» αστρονομία. Πρόκειται για τον κλάδο που συνδυάζει δεδομένα από νετρίνα, βαρυτικά κύματα και φως, ώστε να προσφέρει μια ολοκληρωμένη εικόνα των πιο βίαιων και μυστηριωδών κοσμικών γεγονότων.

Το κυνήγι των «φαντασμάτων»

Γιατί όμως τόση προσπάθεια για τα νετρίνα; Εδώ και περισσότερο από έναν αιώνα γνωρίζουμε ότι η Γη βομβαρδίζεται διαρκώς από κοσμικές ακτίνες: φορτισμένα σωματίδια με ενέργειες ασύλληπτες, πολύ μεγαλύτερες από ό,τι μπορούν να παραχθούν σε επιταχυντές. Ωστόσο, η προέλευσή τους παραμένει μυστήριο. Επειδή έχουν ηλεκτρικό φορτίο, η τροχιά τους αλλοιώνεται από τα μαγνητικά πεδία του Διαστήματος, γεγονός που καθιστά αδύνατο τον εντοπισμό της πηγής τους.

Εδώ μπαίνουν στο προσκήνιο τα νετρίνα. Χωρίς φορτίο και με σχεδόν μηδενική μάζα, ταξιδεύουν σε ευθεία γραμμή επί εκατομμύρια έτη φωτός, διαπερνώντας ύλη και γαλαξίες χωρίς να αλληλεπιδρούν σχεδόν ποτέ. Είναι οι τέλειοι αγγελιαφόροι που μπορούν να δείξουν τον δρόμο προς τις πηγές των κοσμικών ακτίνων.

Πώς λειτουργεί το IceCube

Η αποστολή του IceCube είναι να εντοπίζει τις ελάχιστες συγκρούσεις ενός νετρίνου με ένα άτομο στον πάγο της Ανταρκτικής. Όταν συμβαίνει κάτι τέτοιο, παράγεται μια λάμψη μπλε φωτός. Από τη φωτεινότητά της και τον χρόνο που καταγράφεται, οι επιστήμονες μπορούν να ανασυνθέσουν την πορεία του σωματιδίου.

Μέχρι σήμερα, όμως, η ανακατασκευή αυτή δεν ήταν ιδιαίτερα ακριβής, αφήνοντας τεράστιες περιοχές του ουρανού ως πιθανές πηγές. Το νέο σύστημα που ανέπτυξε η ομάδα του RUB αλλάζει εντελώς τα δεδομένα. Μετά το πρώτο, ταχύτατο σήμα, ο αλγόριθμος περνά σε μια πιο αργή και λεπτομερή ανάλυση, η οποία βελτιώνει την εκτίμηση της τροχιάς με πρωτοφανή ακρίβεια.

Η στρατηγική που ακολουθείται είναι υβριδική: ανάλογα με την ενέργεια του νετρίνου, επιλέγεται διαφορετική μαθηματική προσέγγιση ώστε να βελτιστοποιηθεί ο υπολογισμός. Έτσι, οι περιοχές του ουρανού που υποδεικνύονται ως πιθανές πηγές είναι σήμερα πέντε φορές μικρότερες στο 50% επίπεδο εμπιστοσύνης και τέσσερις φορές μικρότερες στο 90%, σε σχέση με το παρελθόν.

Αναδρομή σε μια δεκαετία δεδομένων

Η αποτελεσματικότητα του νέου εργαλείου δοκιμάστηκε με την ανάλυση περισσότερων από δέκα ετών αρχείων του IceCube. Τα αποτελέσματα εξέπληξαν τους ερευνητές. Συσχετίσεις που παλαιότερα θεωρούνταν πιθανές, όπως η σύνδεση ορισμένων νετρίνων με γεγονότα «παλιρροϊκής καταστροφής», περιπτώσεις όπου άστρα διαλύονται από τη βαρυτική δύναμη μαύρων τρυπών, κατέρρευσαν όταν οι νέες τροχιές υπολογίστηκαν με μεγαλύτερη ακρίβεια.

Ταυτόχρονα, όμως, προέκυψε ένα νέο και άκρως ενδιαφέρον στοιχείο: δύο νετρίνα, καθένα με ενέργεια περίπου 100 τρισεκατομμυρίων ηλεκτρονιοβόλτ, φαίνεται να προέρχονται από την ίδια πηγή. Πρόκειται για τον γαλαξία NGC 7469, που βρίσκεται περίπου 220 εκατομμύρια έτη φωτός μακριά και διαθέτει ενεργό πυρήνα. Η πιθανότητα αυτή ενθουσίασε την επιστημονική κοινότητα, αν και δεν αποτελεί ακόμη αδιάσειστη απόδειξη. Ωστόσο, ανοίγει έναν νέο δρόμο για την κατανόηση των πηγών των κοσμικών ακτίνων.

Ένα άλμα για την αστρονομία

Ο νέος αλγόριθμος αντιπροσωπεύει μια αλλαγή παραδείγματος στη μελέτη του Σύμπαντος. Η δυνατότητα να εντοπίζεται η προέλευση ενός νετρίνου σε τόσο μικρό χρονικό διάστημα επιτρέπει στους αστρονόμους να παρατηρούν κοσμικά φαινόμενα όσο ακόμα συμβαίνουν, πριν εξαφανιστούν.

Αυτό σημαίνει ότι η αστρονομία μπορεί πλέον να λειτουργήσει σε πραγματικό χρόνο, ενισχύοντας τη συνεργασία διαφορετικών πεδίων παρατήρησης: από τηλεσκόπια που ανιχνεύουν φως μέχρι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων. Κάθε νέος αγγελιαφόρος – είτε είναι φωτόνιο, είτε βαρυτικό κύμα, είτε νετρίνο – συνεισφέρει σε μια πιο ολοκληρωμένη κατανόηση του Σύμπαντος.

Αν και ο δρόμος προς οριστικά συμπεράσματα είναι ακόμη μακρύς, η ανάπτυξη του Neutrini αποτελεί ένα εντυπωσιακό βήμα. Η πιθανή σύνδεση με τον γαλαξία NGC 7469 δείχνει ότι βρισκόμαστε πιο κοντά από ποτέ στην ανακάλυψη των πηγών των κοσμικών ακτίνων, ενός γρίφου που ταλαιπωρεί την επιστήμη για πάνω από έναν αιώνα.

[via]