Новые алгоритмы в реальном времени: как нейтрино помогают раскрыть тайны космических лучей
Лаборатория IceCube расположена неподалёку от станции Амундсен-Скотт на Южном полюсе в Антарктиде. Здесь, например, находятся компьютеры, записывающие данные. Автор: Felipe Pedreros, IceCube/NSF
Учёные надеются использовать нейтрино для поиска источников космического излучения. Новые алгоритмы, разработанные в Бохуме, помогают в этом исследовании и уже исключили несколько потенциальных кандидатов.
С 2009 года международная команда исследователей использует детектор нейтрино IceCube на Южном полюсе, чтобы определить происхождение космических лучей. Алгоритмы, созданные группой профессора Анны Франковяк из Бохумского университета, повышают точность поисков.
Эти алгоритмы позволяют определять энергию и направление частиц, зарегистрированных IceCube, в режиме реального времени. Это даёт возможность телескопам по всему миру оперативно искать источники их возникновения. Команда также применила новые методы для повторного анализа архивных данных, в ходе чего несколько гипотез о происхождении лучей были опровергнуты.
Исследования отражены в трёх публикациях. Одна из них вышла в The Astrophysical Journal, а две другие размещены на препринт-сервере arXiv.
Космическое излучение постоянно бомбардирует Землю частицами — электронами, протонами, нейтрино, — однако их источники остаются загадкой. Нейтрино способны преодолевать огромные расстояния в пространстве и веществе, почти не взаимодействуя с ними. Это делает их идеальными «посланниками» для поиска источников космических лучей: они движутся по прямой от источника к Земле, где фиксируются детектором IceCube.
Как определяют траектории нейтрино — быстро и точно
Алгоритм группы Анны Франковяк анализирует траектории нейтрино с высокой скоростью и точностью. «Нам требуется 30 секунд, чтобы вычислить энергию и направление частицы, после чего мы мгновенно передаём данные по всему миру», — объясняет Франковяк, руководитель исследовательской группы мультиволновой и мультимессенджерной астрономии. Она также входит в состав Совместного исследовательского центра «Взаимодействующая космическая материя», базирующегося в Бохуме.
За первым мгновенным расчётом следует уточнение результатов с помощью более медленного алгоритма. Это повышает точность определения траектории в 4–5 раз по сравнению с предыдущими методами.
Обсерватории по всему миру, получив данные о нейтрино, изучают указанный участок неба в поисках объектов с экстремальной энергетикой. «Такие источники могут вспыхивать очень кратковременно, поэтому работа в реальном времени критически важна», — подчёркивает Франковяк.
Источники пока не найдены
При обнаружении потенциального источника нейтрино начинается этап проверки. «Мы вычисляем вероятность того, что объект, который мы видим в направлении прихода частицы, никак не связан с ней», — говорит исследовательница.
Ранее рассматривались события приливного разрушения звёзд чёрными дырами как возможные источники нейтрино. «Такое происходит, когда звезда приближается к неактивной чёрной дыре, не поглощающей материю. Гравитация дыры растягивает звезду: ближняя сторона притягивается сильнее, чем дальняя, что приводит к разрыву светила», — поясняет физик.
За годы наблюдений IceCube зафиксировал три нейтринных события, которые могли быть связаны с такими катаклизмами. Однако, как отмечает Франковяк, «После улучшения алгоритма реконструкции траекторий мы повторно проанализировали данные. Оказалось, пути нейтрино не совпадают с позициями событий приливного разрушения».
Несмотря на неудачу с кандидатами, исследователи оптимистичны. Усовершенствованные алгоритмы позволяют анализировать данные с беспрецедентной детализацией. Следующий шаг — интеграция искусственного интеллекта для автоматического сопоставления нейтринных событий с наблюдениями в гамма- и рентгеновском диапазонах. Команда также планирует расширить сотрудничество с обсерваториями, такими как CTA (Cherenkov Telescope Array), чтобы охватить ещё больше потенциальных источников. Как отмечает Франковяк: «Каждое нейтрино — это ключ к разгадке. Рано или поздно мы соберём мозаику, которая покажет, где рождаются космические лучи».
В нашем Telegram‑канале, и группе ВК вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
