Des neutrinos insaisissables révèlent un portrait de notre galaxie sans précédent
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De la lumière visible des étoiles aux ondes radio, la galaxie de la Voie lactée a longtemps été observée à travers les différentes fréquences de rayonnement électromagnétique qu’elle émet. Les scientifiques ont maintenant révélé une image unique et différente de notre galaxie en déterminant l’origine galactique de milliers de neutrinos – des “particules fantômes” invisibles qui existent en grande quantité mais traversent normalement la Terre sans être détectées. L’image basée sur les neutrinos de la Voie lactée est la première du genre : un portrait galactique réalisé avec des particules de matière plutôt qu’avec de l’énergie électromagnétique.
La percée a été réalisée par une collaboration de chercheurs utilisant l’observatoire de neutrinos IceCube soutenu par la National Science Foundation des États-Unis à la station du pôle Sud Amundsen-Scott de la NSF en Antarctique. L’immense observatoire détecte les signes subtils des neutrinos de haute énergie de l’espace en utilisant des milliers de capteurs en réseau enfouis profondément dans un kilomètre cube de glace claire et vierge. Les résultats ont été révélés lors d’un événement aujourd’hui à l’Université de Drexel et seront publiés demain dans la revue Science.
“Je me souviens d’avoir dit:” À ce stade de l’histoire humaine, nous sommes les premiers à voir notre galaxie autrement que par la lumière “, déclare la physicienne de l’Université Drexel, Naoko Kurahashi Neilson, du moment où elle et deux doctorants, Steve Sclafani avec Drexel et Mirco Hünnefeld de l’Université TU de Dortmund en Allemagne ont d’abord examiné l’image. Kurahashi Neilson a proposé l’analyse informatique innovante utilisée pour générer l’image et a reçu un financement pour poursuivre son idée grâce à une subvention du programme de développement de carrière en début de carrière de la NSF.
“Comme c’est si souvent le cas, les percées scientifiques importantes sont rendues possibles par les avancées technologiques”, déclare Denise Caldwell, directrice de la division de physique de la NSF. “Les capacités fournies par le détecteur IceCube très sensible, associées à de nouveaux outils d’analyse de données, nous ont donné une vision entièrement nouvelle de notre galaxie – une vision à laquelle on n’avait fait que faire allusion auparavant. Comme ces capacités continuent d’être affinées, nous pouvons regarder hâte de voir cette image émerger avec une résolution toujours croissante, révélant potentiellement des caractéristiques cachées de notre galaxie jamais vues auparavant par l’humanité.”
“Ce qui est intrigant, c’est que, contrairement au cas de la lumière de n’importe quelle longueur d’onde, dans les neutrinos, l’univers éclipse les sources proches de notre propre galaxie”, explique Francis Halzen, physicien à l’Université du Wisconsin-Madison et chercheur principal chez IceCube.
Au-delà du défi de taille de simplement détecter des neutrinos notoirement insaisissables (et de les distinguer des autres types de particules interstellaires), il y a l’objectif encore plus ambitieux de déterminer d’où ils viennent. Lorsque des neutrinos interagissent avec la glace sous IceCube, ces rares rencontres produisent de faibles motifs de lumière, qu’IceCube peut détecter. Certains modèles de lumière sont très directionnels et pointent clairement vers une zone particulière du ciel, permettant aux chercheurs de déterminer la source des neutrinos. De telles interactions ont été à la base de la découverte en 2022 par l’IceCube Collaboration de neutrinos provenant d’une autre galaxie à 47 millions d’années-lumière.
D’autres interactions sont beaucoup moins directionnelles et produisent des “boules de lumière floues” en cascade dans la glace claire, explique Kurahashi Neilson. Ses collègues membres de la collaboration IceCube, Sclafani et Hünnefeld, ont développé un algorithme d’apprentissage automatique qui a comparé la position relative, la taille et l’énergie de plus de 60 000 cascades de lumière générées par des neutrinos enregistrées par IceCube sur 10 ans.
Les trois chercheurs ont passé plus de deux ans à tester et à vérifier méticuleusement leur algorithme à l’aide de données artificielles simulant des détections de neutrinos. Lorsqu’ils ont finalement fourni les données réelles fournies par IceCube à l’algorithme, ce qui a émergé était une image montrant des points lumineux correspondant à des emplacements de la Voie lactée soupçonnés d’émettre des neutrinos. Ces emplacements se trouvaient à des endroits où les rayons gamma observés étaient considérés comme des sous-produits de collisions entre les rayons cosmiques et le gaz interstellaire, qui devrait théoriquement également produire des neutrinos.
“Une contrepartie de neutrino a maintenant été mesurée, confirmant ainsi ce que nous savons de notre galaxie et des sources de rayons cosmiques”, déclare Sclafani.
Au cours de nombreuses décennies, les scientifiques ont révélé d’innombrables découvertes astronomiques en élargissant les méthodes utilisées pour observer l’univers. Des avancées autrefois révolutionnaires telles que la radioastronomie et l’astronomie infrarouge ont été rejointes par une nouvelle classe de techniques d’observation utilisant des phénomènes tels que les ondes gravitationnelles et maintenant, les neutrinos. Kurahashi Neilson dit que l’image de la Voie lactée basée sur les neutrinos est une autre étape dans cette lignée de découvertes. Elle prédit que l’astronomie des neutrinos sera perfectionnée comme les méthodes qui l’ont précédée, jusqu’à ce qu’elle puisse elle aussi révéler des aspects de l’univers jusqu’alors inconnus.
“C’est pourquoi nous faisons ce que nous faisons”, dit-elle. “Voir quelque chose que personne n’a jamais vu et comprendre des choses que nous n’avons pas comprises.”
