Un Blazar est la source d’un neutrino à hautes énergies
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En utilisant plusieurs observatoires et la collaboration de plusieurs équipes internationales, les scientifiques ont pu identifier la source directe d’un neutrino à haute énergie. Il s’agit d’un Blazar situé dans une galaxie à 3 milliards d’années-lumières. Cela permet aussi de résoudre l’énergie de l’origine des rayons cosmiques. Et l’astronomie multi-messagers ajoute une flèche à son arc avec les rayonnements électromagnétiques, les ondes gravitationnelles et désormais les neutrinos.
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En utilisant un gigantesque filet astronomique, les scientifiques ont pour la première fois localisé une source de neutrinos cosmiques de haute énergie, des particules élémentaires fantomatiques qui parcourent des milliards d’années-lumière à travers l’univers. Ces particules peuvent se déplacer sans être affectées par des étoiles, des planètes ou même des galaxies entières. La campagne d’observation conjointe a été déclenchée par un seul neutrino qui avait été enregistré par le télescope à neutrons IceCube au pôle Sud, le 22 septembre 2017. Des télescopes terrestres et spatiaux ont pu déterminer que la particule exotique avait pris naissance dans une galaxie située à 3 milliards d’années-lumière dans la constellation d’Orion où un gigantesque trou noir sert d’accélérateur de particules naturel.1
Sommaire
La source directe d’un neutrino
Les scientifiques des 18 observatoires impliqués présentent leurs résultats dans la revue Science. De plus, une seconde analyse, également publiée dans Science, montre que d’autres neutrinos précédemment enregistrés par IceCube provenaient de la même source. La campagne d’observation, dans laquelle les chercheurs allemands ont joué un rôle déterminant, est un pas décisif vers la résolution d’une énigme qui intrigue les scientifiques depuis plus de 100 ans, à savoir celle des origines précises des rayons cosmiques, des particules subatomiques à haute énergie qui bombardent constamment l’atmosphère terrestre.
Les blazars sont un type de galaxie active avec un de ses jets pointant vers la Terre. Dans ce rendu artistique, un blazar émet à la fois des neutrinos et des rayons gamma qui pourraient être détectés par l’observatoire IceCube Neutrino ainsi que par d’autres télescopes sur Terre et dans l’espace – Crédit : IceCube/NASA
C’est une étape importante dans le domaine naissant de l’astronomie des neutrinos, car nous ouvrons une nouvelle fenêtre sur l’univers des hautes énergies selon Marek Kowalski, responsable de Neutrino Astronomy à DESY à l’Université Humboldt de Berlin. La campagne d’observation concertée, utilisant des instruments situés partout dans le monde, est également un accomplissement significatif pour le domaine de l’astronomie multi-messagers, c’est-à-dire l’investigation d’objets cosmiques en utilisant différents messagers comme des rayonnements électromagnétiques, des ondes gravitationnelles et des neutrinos.
Les neutrinos, les messagers en haute énergie de l’univers
Parmi les hypothèses sur les neutrinos énergétiques, on a celle qui les considère comme une sorte de sous-produit des rayons cosmiques, qui devraient être produits dans les accélérateurs de particules cosmiques tels que le vortex de la matière créé par les trous noirs supermassifs ou des étoiles qui explosent. Mais contrairement aux particules électriquement chargées des rayons cosmiques, les neutrinos sont électriquement neutres et ne sont donc pas déviés par les champs magnétiques cosmiques lorsqu’ils traversent l’espace, ce qui signifie que la direction de leur provenance pointe directement vers leur source réelle. De plus, les neutrinos sont rarement absorbés. L’observation des neutrinos cosmiques nous donne un aperçu des processus qui sont opaques aux rayonnements électromagnétiques selon Klaus Helbing de l’université de Wuppertal, porte-parole du réseau allemand IceCube. Les neutrinos cosmiques sont des messagers de l’univers à hautes énergies.
La détection difficile des neutrinos
Mais c’est compliqué de démontrer la présence de neutrinos parce que la plupart de ces particules fantomatiques traversent la Terre sans laisser de trace. Ce n’est que très rarement qu’un neutrino interagit avec son environnement. Il faut donc d’énormes détecteurs pour capturer au moins quelques-unes de ces rares réactions. Pour le détecteur IceCube, un consortium international de scientifiques a foré 86 trous dans la glace de l’Antarctique, chacun à 2 500 mètres de profondeur. Dans ces trous, ils ont descendu 5 160 capteurs de lumière, étalés sur un volume total d’un kilomètre cube. Les capteurs enregistrent les minuscules flashs de lumière qui sont produits pendant les rares interactions des neutrinos dans la glace transparente.
Une illustration d’artiste du noyau galactique actif. Le trou noir supermassif au centre du disque d’accrétion envoie un jet étroit de haute énergie dans l’espace, perpendiculaire au disque – Crédit : DESY, Science Communication Lab
Il y a cinq ans, IceCube a fourni les premières preuves de la présence de neutrinos de haute énergie dans les profondeurs de l’espace. Mais ces neutrinos semblaient arriver à partir de directions aléatoires à travers le ciel. Jusqu’à ce jour, nous ignorions leur provenance selon Elisa Resconi de l’Université technique de Munich dont le groupe a contribué de manière décisive aux découvertes. Grâce au neutrino enregistré le 22 septembre, nous avons maintenant réussi à identifier une première source.
Des ondes radio au rayonnement gamma
L’énergie du neutrino en question était d’environ 300 téra-électronvolts, soit plus de 40 fois celle des protons produits dans le LHC. Quelques minutes après l’enregistrement du neutrino, le détecteur IceCube a alerté automatiquement de nombreux autres observatoires astronomiques. Un grand nombre d’entre eux ont ensuite scruté la région dans laquelle le neutrino de haute énergie était apparu, en balayant tout le spectre électromagnétique allant des rayons gamma et X à haute énergie jusqu’à la lumière visible et les ondes radio. Et pour la première fois, ils ont pu associer un objet céleste avec la direction d’un neutrino cosmique de haute énergie.
Dans ce rendu artistique, basé sur une image réelle du laboratoire IceCube au pôle Sud, une source éloignée émet des neutrinos détectés sous la glace par des capteurs IceCube, appelés DOM – Crédit : IceCube/NSF
Dans notre cas, nous avons vu une galaxie active, qui est une grande galaxie contenant un gigantesque trou noir en son centre selon Kowalski. D’énormes jets jaillissent dans l’espace perpendiculairement au vortex massif qui aspire la matière dans le trou noir. Les astrophysiciens ont longtemps soupçonné que ces jets génèrent une proportion substantielle de rayonnement de particules cosmiques. Désormais, nous avons trouvé des preuves essentielles à l’appui de cette hypothèse selon Resconi.
La source du neutrino est un Blazar dans la constellation d’Orion
La galaxie active, qui a maintenant été identifiée, est ce que l’on appelle un blazar, une galaxie active dont le jet pointe précisément dans notre direction. Le satellite gamma Fermi, exploité par la NASA, avait déjà enregistré une augmentation spectaculaire de l’activité de ce blazar dont le numéro de catalogue est TXS 0506+056, le 22 septembre 2017. Maintenant, un télescope à rayons gamma relié à la terre a également enregistré un signal de ce blazar. Dans l’observation de suivi du neutrino, nous avons également pu observer le blazar dans la gamme des rayons gamma de très haute énergie, en utilisant le système de télescope MAGIC sur les îles Canaries de La Palma selon Elisa Bernardini de DESY, qui coordonne les observations MAGIC. Les rayons gamma sont les plus proches de l’énergie des neutrinos et jouent donc un rôle crucial dans la détermination du mécanisme de création des neutrinos.
Les satellites de rayons X Swift et NuSTAR de la NASA ont également enregistré l’éruption du blazar ainsi que les télescopes gamma HESS, HAWC et VERITAS ainsi que les satellites gamma et rayons X AGILE, appartenant à l’agence spatiale italienne ASI et Integral, appartenant à l’Agence spatiale européenne ESA. Au total, 7 observatoires optiques (les télescopes ASAS-SN, Liverpool, Kanata, Kiso Schmidt, SALT et Subaru ainsi que le Very Large Telescope) ont observé la galaxie active et le Very Large Array (VLA) a étudié son activité dans le spectre radioélectrique. Cela a conduit à une image complète du rayonnement émis par ce blazar, allant des ondes radio aux rayons gamma transportant jusqu’à 100 milliards de fois plus d’énergie.
La recherche dans les archives révèle d’autres neutrinos
Une équipe mondiale de scientifiques de tous les groupes a travaillé d’arrache-pied, en effectuant une analyse statistique pour déterminer si la corrélation entre les observations de neutrinos et de rayons gamma n’était peut-être qu’une coïncidence. Nous avons calculé que la probabilité d’une simple coïncidence était d’environ 1 sur 1000 selon Anna Franckowiak de DESY, qui était chargée de l’analyse statistique des différents ensembles de données. Cela peut ne pas sembler considérable, mais c’est loin de satisfaire le scepticisme des physiciens.
Une analyse a renforcé les preuves. Les chercheurs de IceCube ont recherché dans leurs données précédentes pour déterminer s’il y avait eu d’autres mesures de neutrinos provenant de la direction du blazar qui avait été identifiée. Et ils ont en effet trouvé un excédent distinct de plus d’une douzaine de neutrinos arrivant de la direction de TXS 0506+056 entre septembre 2014 et mars 2015. La probabilité que cet excès soit une simple anomalie statistique est estimée à 1 sur 5000, un chiffre qui vous fait dresser l’oreille selon Christopher Wiebusch de RWTH Aachen dont le groupe avait déjà noté l’excès de neutrinos provenant de la direction de TXS 0506+056 dans une analyse antérieure. Les données nous permettent également de faire une première estimation du flux de neutrinos à partir de cette source. Avec l’événement unique de septembre 2017, les données IceCube fournissent maintenant la meilleure preuve expérimentale à ce jour que les galaxies actives sont en fait des sources de neutrinos cosmiques de haute énergie.
Nous avons maintenant une meilleure compréhension de ce que nous devrions rechercher, ce qui signifie que nous pouvons à l’avenir rechercher plus précisément de telles sources selon Elisa Resconi. Et Marek Kowalski ajoute : Puisque les neutrinos sont une sorte de sous-produit des particules chargées dans les rayons cosmiques, notre observation implique que les galaxies actives sont aussi des accélérateurs de particules de rayons cosmiques. Plus d’un siècle après la découverte des rayons cosmiques par Victor Hess en 1912, les résultats de IceCube ont donc pour la première fois localisé une source extragalactique concrète de ces particules de haute énergie.
