นิวตริโนพลังงานสูงจากภายในทางช้างเผือก

 

ส่วนอื่นๆ ของทางช้างเผือกเมื่อมองจากเลนส์นิวตริโน(สีฟ้า) ในภาพจากศิลปินนี้

     นักดาราศาสตร์ได้ตรวจพบนิวตริโนพลังงานสุงที่มาจากภายในกาแลคซีทางช้างเผือกของเราเอง ซึ่งอาจจะเปิดหน้าต่างบานใหม่ที่น่าตื่นเต้นสู่งานวิจัยใหม่ๆ ได้

     นิวตริโน(neutrinos) เป็นอนุภาคที่ตรวจจับได้ยากมากๆ เนื่องจากพวกมันชนกับอะตอมได้ยาก ตะกั่วที่มีความยาวระดับหนึ่งปีแสงยังหยุดนิวตริโนได้เพียงครึ่งหนึ่งเท่านั้น ซึ่งอธิบายว่าเพราะเหตุใดพวกมันจึงถูกเรียกว่า อนุภาคผี(ghost particles) นิวตริโนถูกสร้างจากการสลายตัวกัมมันตรังสี เช่นในเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ หรือเมื่อมีอนุภาคที่มีพลังงานสูงมากชนกับอะตอม ในชนิดหลังนี้เองที่มีระดับพลังงานสูงหลายล้านจนถึงหลายพันล้านเท่าของนิวตริโนที่สร้างจากปฏิกิริยาหลอมนิวเคลียร์ที่ให้พลังงานแก่ดาวฤกษ์

     เป็นที่ทราบว่านิวตริโนพลังงานสูงมีกำเนิดจากกาแลคซีที่อยู่นอกทางช้างเผือกออกไป แต่นักวิจัยก็สงสัยมานานแล้วว่ากาแลคซีของเราเองก็น่าจะเป็นแหล่งนิวตริโนพลังงานสูงด้วยเช่นกัน ยกตัวอย่างเช่น เมื่อรังสีคอสมิค(cosmic rays) ซึ่งเป็นโปรตอนและนิวเคลียสของอะตอม ที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วเกือบเท่าแสง เข้าชนกับฝุ่นและก๊าซในกาแลคซี พวกมันจะสร้างทั้งรังสีแกมมาและนิวตริโนพลังงานสูงออกมา งานวิจัยก่อนหน้านี้ได้ตรวจพบรังสีแกมมาจากระนาบของทางช้างเผือก ดังนั้น นักวิทยาศาสตร์จึงคาดหวังว่าจะพบนิวตริโนพลังงานสูงจากระนาบนี้ด้วยเช่นกัน

IceCube Neutrino Observatory

      ซึ่งก็มีเงื่อนงำบอกใบ้การเปล่งอนุภาคลักษณะนี้ แต่ยังไม่สามารถยืนยันได้จนถึงบัดนี้ การศึกษาใหม่พิจารณาอีกทาง โดยใช้หอสังเกตการณ์นิวตริโนไอซ์คิวป์(IceCube Neutrino Observatory) ที่สถานีขั้วโลกใต้อะมุนด์เซน-สก๊อตต์ เครื่องตรวจจับขนาดมหึมาฝังตัวอยู่ในน้ำแข็งขนาด 1 พันล้านตัน(กิกะตัน) ทำให้มันเป็นเครื่องตรวจจับนิวตริโนระดับกิกะตันเครื่องแรกที่เคยสร้างมา

     ไอซ์คิวป์ฝังอยู่ในน้ำแข็งของทวีปแอนตาร์ติกาขนาด 1 ลูกบาศก์กิโลเมตร มีเซนเซอร์จับภาพมากกว่า 5000 ตัว อุปกรณ์เหล่านี้เฝ้าดูแสงวาบอันเป็นอัตลักษณ์ที่เป็นผลจากโอกาสที่พบได้ยากเมื่อนิวตริโนชนกับอะตอม ทีมวิจัยมุ่งเป้าไปที่ระนาบทางช้างเผือก ซึ่งเป็นพื้นที่ที่หนาแน่นในกาแลคซีซึ่งอยู่ตามแนวศูนย์สูตรของทางช้างเผือก พวกเขาศึกษาข้อมูลไอซ์คิวป์ตลอด 10 ปี วิเคราะห์นิวตริโน 6 หมื่นกรณี ซึ่งมากกว่าการตรวจสอบนิวตริโนจากระนาบกาแลคซีก่อนหน้านี้ 30 เท่า นิวตริโนจำนวนนี้มาจากการเปรียบเทียบกับแผนที่ทำนายตำแหน่งในกาแลคซีที่น่าจะพบนิวตริโน

ภาพทางช้างเผือกจากผู้นำสารหลายๆ ทาง มุ่งเป้าไปที่ใจกลางกาแลคซี แต่ละช่องแสดงระนาบกาแลคซีในช่วงบวกลบ 15 องศาละติจูดกาแลคซี โดยแต่ละช่องมีสเกลสีของตัวเอง จากบนลงล่างคือ 1) ภาพจากช่วงตาเห็นซึ่งถูกปิดบังด้วยเมฆก๊าซและฝุ่นไว้บางส่วน 2)ระดับรังสีแกมมาตามที่เห็นจากการสำรวจเฟอร์มี่ 3)การทำนายการเปล่งนิวตริโนเพื่อให้สอดคล้องกับช่อง 2 4) ผลการทำนายจากช่อง 3 พร้อมกับที่สำรวจโดยไอซ์คิวป์   

     นี่เป็นเรื่องยากกว่าที่ฟัง เนื่องจากมีนิวตริโนพื้นหลังซึ่งเกิดจากรังสีคอสมิคชนกับโมเลกุลในชั้นบรรยากาศโลกเองก็อาจพรางตัวเป็นนิวตริโนจากระยะที่ไกลกว่าได้ เพื่อเอาชนะความท้าทายนี้ นักวิจัยใช้เทคโนโลจีปัญญาประดิษฐ์เพื่อวิเคราะห์ข้อมูลไอซ์คิวป์ นี่ช่วยกลั่นกรองนิวตริโนจากชั้นบรรยากาศออกไป ซึ่งนิวตริโนที่เกิดขึ้นจากกรณีนี้ดูจะสร้างอนุภาคอื่นให้ไอซ์คิวป์ตรวจจับได้เช่นกัน งานวิจัยนี้จำแนกนิวตริโนพลังงานสูงที่น่าจะมาจากระนาบกาแลคซีทางช้างเผือก

     การสำรวจนิวตริโนพลังงานสูงได้เปิดหน้าต่างบานใหม่เอี่ยมเพื่อศึกษาคุณสมบัติของกาแลคซีบ้านเกิดของเราเอง Mirco Hünnefeld ผู้เขียนร่วมการศึกษา นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์อนุภาคที่มหาวิทยาลัยเทคนิค(TU) ดอร์ทมุนด์ ในเจอรมนี กล่าว ผมคิดว่ามันน่าตื่นเต้นที่ได้เห็นแขนงดาราศาสตร์นิวตริโนที่ยังมีอายุน้อยได้พัฒนาแบบก้าวกระโดดเช่นนี้ ต้องใช้เวลาหลายทศวรรษเพื่อวางแผนการกล้องโทรทรรศน์นิวตริโนอย่างไอซ์คิวป์นี้ และก็เพิ่งไม่กี่ปีหลังนี้เองที่เราได้เห็นการสำรวจมากมาย ซึ่งรวมถึงหลักฐานแหล่งนิวตริโนนอกทางช้างเผือกเป็นครั้งแรกด้วย

ภาพทางช้างเผือก ภาพบนในช่วงแสงที่ตาเห็น และภาพล่างเมื่อตรวจสอบนิวตริโน

     ขณะนี้ ด้วยผลสรุปเหล่านี้ เราได้บรรลุถึงหลักชัยใหม่ในแขนงดาราศาสตร์นิวตริโน แม้ว่าการค้นพบจะบอกว่านิวตริโนที่เพิ่งพบใหม่มาจากในทางช้างเผือก แต่ไอซ์คิวป์ในขณะนี้ก็ไม่ได้มีความไวมากพอที่จะระบุแหล่งที่มาได้ นิวตริโนอาจโผล่มาแบบกระจัดกระจาย หรือมีจำนวนหนึ่งที่อาจมาจากจุดที่จำเพาะบนท้องฟ้าก็ได้ Hünnefeld กล่าว สิ่งที่น่าสนใจเกี่ยวกับการค้นพบเหล่านี้ก็คือ เมื่อเทียบกับโฟตอนแล้ว การสร้างนิวตริโนในกาแลคซีสว่างน้อยกว่านิวตริโนจากนอกกาแลคซี

     ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า ไอซ์คิวป์จะได้อัพเกรดเซนเซอร์ ซึ่งจะเพิ่มความไวของมัน ช่วยให้เราได้ภาพทางช้างเผือกจากนิวตริโนที่ชัดเจนมากขึ้น ในอนาคตอันใกล้ Hünnefeld กล่าว การตอบคำถามเหล่านี้จะมีนัยสำคัญต่อความเข้าใจของเราเกี่ยวกับรังสีคอสมิคและแหล่งที่มาของพวกมัน และยังรวมถึงคุณสมบัติโดยรวมของทางช้างเผือกเอง นักวิทยาศาสตร์เผยแพร่การค้นพบออนไลน์วันที่ 29 มิถุนายน ในวารสาร Science

แหล่งข่าว space.com - scientists find “ghost particles” spewing from our Milky Way galaxy in landmark discovery  
                phys.org - first “ghost particle” image of Milky Way galaxy captured by scientists: neutrinos detected by IceCube