Les astrophysiciens pensent avoir trouvé la mystérieuse source des neutrinos de haute énergie
De nouvelles recherches ont confirmé que certains des objets les plus brillants et les plus énergétiques de l’Univers sont la source mystérieuse de neutrinos cosmiques de haute énergie.
Impression d’artiste d’un blazar accélérant les neutrinos et les rayons cosmiques. (Benjamin Amend)
Une analyse complète a permis de relier de manière assez concluante les galaxies abritant des noyaux flamboyants appelés blazars à ces particules énigmatiques.
Ce résultat apporte une solution vraiment inattendue à un problème qui a laissé les astrophysiciens perplexes pendant des années.
“Ces résultats fournissent, pour la première fois, une preuve observationnelle irréfutable que le sous-échantillon de blazars PeVatron est une source extragalactique de neutrinos et donc un accélérateur de rayons cosmiques”, a déclaré l’astrophysicienne Sara Buson, de l’université Julius Maximilian de Würzburg, en Allemagne.
Les neutrinos sont de drôles de petites choses dans le meilleur des cas. Ces particules subatomiques sont omniprésentes et comptent parmi les plus abondantes de l’Univers.
Cependant, leur masse est presque nulle, ils sont électriquement neutres et interagissent très peu avec les autres éléments de l’Univers. Pour un neutrino, la matière normale dont se compose la majeure partie de l’Univers pourrait aussi bien être une ombre ; c’est pourquoi on les appelle les particules fantômes.
Nous savons assez bien d’où viennent les neutrinos – les neutrinos normaux.
Ils sont produits par la désintégration radioactive, qui est assez courante. La plupart des neutrinos que nous détectons sur Terre sont des sous-produits des réactions nucléaires dans le Soleil, mais ils peuvent aussi être produits par des supernovae, des réactions nucléaires artificielles ou l’interaction entre les rayons cosmiques et les atomes, par exemple.
Mais un observatoire spécial en Antarctique en a révélé de vraiment bizarres.
Bien que les neutrinos n’interagissent pas beaucoup avec la matière normale, ils le font de temps en temps. Lorsqu’ils interagissent avec les molécules des atomes d’eau, ils peuvent produire un très petit flash de lumière.
L’observatoire de neutrinos IceCube possède des détecteurs enfouis profondément dans la glace de l’Antarctique, au pôle sud, qui peuvent détecter ces éclairs. Ces détections peuvent révéler l’énergie du neutrino.
En 2012, IceCube a détecté deux neutrinos qui ne ressemblaient à rien de ce que nous avions vu jusqu’alors. Leurs énergies étaient à l’échelle du pétaélectronvolt (PeV) – 100 millions de fois plus énergétiques que les neutrinos de supernova. Et ces neutrinos de haute énergie provenaient de l’espace intergalactique, de source inconnue.
Nous avons eu un indice quant à cette source en 2018. Comme les neutrinos n’interagissent pas, ils voyagent à peu près en ligne droite dans l’espace – ainsi, une énorme collaboration internationale de scientifiques a pu remonter un neutrino de haute énergie jusqu’à un blazar.
Il s’agit du noyau d’une galaxie massive alimentée par un trou noir supermassif actif, orienté de telle sorte que des jets de matière ionisée accélérés à la vitesse de la lumière pointent directement vers la Terre.
“Il est intéressant de noter que la communauté des astrophysiciens s’accordait à dire que les blazars n’étaient pas susceptibles d’être des sources de rayons cosmiques, et voilà que nous y sommes”, a déclaré à l’époque Francis Halzen, physicien à l’université du Wisconsin-Madison.
Pourtant, certaines questions subsistaient quant à l’association entre les blazars et les neutrinos de haute énergie. Une équipe de scientifiques dirigée par Buson a donc fait ce que font les scientifiques : elle a creusé.
Ils ont pris sept ans de données sur les neutrinos dans tout le ciel fournies par IceCube et les ont minutieusement comparées à un catalogue de 3 561 objets qui sont soit des blazars confirmés, soit des blazars très probables.
Ils ont procédé à une comparaison croisée des positions de ces catalogues, en essayant de déterminer si les neutrinos de haute énergie pouvaient être liés de manière concluante à l’emplacement des blazars dans le ciel.
“Avec ces données, nous devions prouver que les blazars dont les positions directionnelles coïncidaient avec celles des neutrinos n’étaient pas là par hasard”, explique l’astrophysicien Andrea Tramacere de l’Université de Genève en Suisse.
“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.”
Selon l’analyse de l’équipe, la probabilité d’une occurrence aléatoire est de 0,0000006. Cela suggère qu’au moins certains blazars sont capables de produire des neutrinos de haute énergie, ce qui, à son tour, aide à résoudre un autre problème. L’origine des rayons cosmiques de haute énergie – des protons et des noyaux atomiques qui traversent l’espace à une vitesse proche de celle de la lumière – est également un grand mystère.
Selon Buson, les neutrinos de haute énergie sont produits exclusivement dans des processus qui impliquent l’accélération des rayons cosmiques. Cela signifie, par déduction, que nous pouvons désormais associer les blazars à l’accélération des rayons cosmiques, a déclaré l’équipe.
“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 rayonnements jusqu’à des énergies de mille milliards de celle de la lumière visible !” a déclaré Tramacere.
“La découverte de la connexion entre ces objets et les rayons cosmiques pourrait être la ‘pierre de Rosette’ de l’astrophysique des hautes énergies.”
À partir de là, plusieurs pistes méritent d’être explorées plus avant. La première consiste à essayer de découvrir pourquoi certains blazars sont des accélérateurs de particules efficaces alors que d’autres ne le sont pas. Cela aidera l’équipe à déterminer quelles sont les caractéristiques d’une usine à neutrinos et où nous pourrions les trouver dans le cosmos.
En outre, d’autres analyses plus détaillées des données sur les neutrinos pourraient permettre de faire d’autres découvertes sur les lieux de naissance de ces particules fantomatiques et particulières.
Cette recherche a été publiée dans The Astrophysical Journal Letters.
Source : ScienceAlert – Traduit par Anguille sous roche
