Des usines à neutrinos dans l’espace extra-atmosphérique

L’atmosphère terrestre est continuellement bombardée par les rayons cosmiques. Ceux-ci sont constitués de particules chargées électriquement d’énergies allant jusqu’à 1020 électron-volts. C’est un million de fois plus que l’énergie obtenue dans l’accélérateur de particules le plus puissant du monde, le Large Hadron Collider près de Genève. Les particules extrêmement énergétiques viennent de l’espace extra-atmosphérique, elles ont parcouru des milliards d’années-lumière. D’où viennent-ils, qu’est-ce qui les propulse à travers l’Univers avec une force aussi formidable ? Ces questions comptent parmi les plus grands défis de l’astrophysique depuis plus d’un siècle.

Les lieux de naissance des rayons cosmiques produisent des neutrinos. Les neutrinos sont des particules neutres difficiles à détecter. Ils n’ont presque pas de masse et interagissent peu avec la matière. Ils courent à travers l’Univers et peuvent voyager à travers les galaxies, les planètes et le corps humain presque sans laisser de trace. “Les neutrinos astrophysiques sont produits exclusivement dans des processus impliquant l’accélération des rayons cosmiques”, explique le professeur d’astrophysique Sara Buson de la Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg en Bavière, en Allemagne. C’est précisément ce qui fait de ces neutrinos des messagers uniques ouvrant la voie à la localisation des sources de rayons cosmiques.

Une avancée dans un débat controversé

Malgré la grande quantité de données que les astrophysiciens ont recueillies, l’association des neutrinos de haute énergie avec les sources astrophysiques qui les génèrent est un problème non résolu depuis des années. Sara Buson l’a toujours considéré comme un défi majeur. C’est en 2017 que le chercheur et ses collaborateurs ont introduit pour la première fois un blazar (TXS 0506+056) dans la discussion en tant que source putative de neutrinos dans la revue Science. Les blazars sont des noyaux galactiques actifs alimentés par des trous noirs supermassifs qui émettent beaucoup plus de rayonnement que toute leur galaxie. La publication a déclenché un débat scientifique sur l’existence réelle d’un lien entre les blazars et les neutrinos de haute énergie.

Suite à cette première étape encourageante, le groupe du Pr Buson a lancé en juin 2021 un ambitieux projet de recherche multi-messagers avec le soutien du Conseil européen de la recherche. Il s’agit d’analyser divers signaux (« messagers », par exemple les neutrinos) de l’Univers. L’objectif principal est de faire la lumière sur l’origine des neutrinos astrophysiques, établissant éventuellement les blazars comme la première source de neutrinos extragalactiques de haute énergie avec une grande certitude.

Le projet connaît maintenant son premier succès : dans la revue Astrophysical Journal Letters, Sara Buson, avec son groupe, l’ancien postdoc Raniere de Menezes (JMU) et avec Andrea Tramacere de l’Université de Genève, rapporte que les blazars peuvent être associés en toute confiance avec des neutrinos astrophysiques à un degré de certitude sans précédent.

Révéler le rôle des blazars

Andrea Tramacere est l’un des experts en modélisation numérique des processus d’accélération et des mécanismes de rayonnement agissant dans les jets relativistes — écoulements de matière accélérée, se rapprochant de la vitesse de la lumière — en particulier les jets de blazar. “Le processus d’accrétion et la rotation du trou noir conduisent à la formation de jets relativistes, où les particules sont accélérées et émettent des radiations jusqu’à des énergies d’un millier de milliards de celle de la lumière visible ! La découverte du lien entre ces objets et le cosmos rayons pourraient être la “pierre de Rosette” de l’astrophysique des hautes énergies !”

Pour arriver à ces résultats, l’équipe de recherche a utilisé les données sur les neutrinos de l’observatoire IceCube Neutrino en Antarctique – le détecteur de neutrinos le plus sensible actuellement en service – et BZCat, l’un des catalogues de blazars les plus précis. “Avec ces données, nous devions prouver que les blazars dont les positions directionnelles coïncidaient avec celles des neutrinos n’étaient pas là par hasard.” Pour ce faire, la chercheuse de l’UNIGE a développé un logiciel capable d’estimer à quel point les distributions de ces objets dans le ciel se ressemblent. “Après avoir lancé les dés plusieurs fois, nous avons découvert que l’association aléatoire ne peut dépasser celle des données réelles qu’une fois sur un million d’essais ! C’est une preuve solide que nos associations sont correctes.”

Malgré ce succès, l’équipe de recherche estime que ce premier échantillon d’objets n’est que la « pointe de l’iceberg ». Ce travail leur a permis de rassembler de “nouvelles preuves d’observation”, ce qui est l’ingrédient le plus important pour construire des modèles plus réalistes d’accélérateurs astrophysiques. “Ce que nous devons faire maintenant, c’est comprendre quelle est la principale différence entre les objets qui émettent des neutrinos et ceux qui n’en émettent pas. Cela nous aidera à comprendre dans quelle mesure l’environnement et l’accélérateur se “parlent”. Nous allons alors être capable d’écarter certains modèles, d’améliorer le pouvoir prédictif d’autres et, enfin, d’ajouter plus de pièces à l’éternel puzzle de l’accélération des rayons cosmiques !”

Source de l’histoire :

Matériaux fourni par Université de Genève. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.