Nous avons détecté des « particules fantômes » s’échappant du cœur d’une galaxie recouverte de poussière

Le rôle des trous noirs supermassifs actifs dans la production de neutrinos de haute énergie provenant de l’extérieur de la Voie lactée semble avoir été confirmé.

Pour la deuxième fois, les physiciens ont retracé ces particules dites “fantômes” jusqu’au cœur d’une galaxie à travers le gouffre de l’espace intergalactique.

Grâce à cette découverte, nous pouvons commencer un véritable recensement des usines à neutrinos extragalactiques et utiliser les propriétés des neutrinos pour comprendre leur environnement d’origine.

La galaxie en question est un objet bien étudié connu sous le nom de NGC 1068 – alias Messier 77 ou la galaxie du calmar – une magnifique spirale barrée située à environ 47 millions d’années-lumière, suffisamment proche pour être vue avec une paire de jumelles.

Et les scientifiques ont compté des dizaines de neutrinos de haute énergie de l’ordre du téraélectronvolt (TeV) provenant de sa direction.

Auparavant, le seul neutrino de haute énergie était une particule unique de TeV, attribuée à une source extragalactique, qui était liée à un type de galaxie appelé blazar (TXS 0506+056), situé à quelque 3,8 milliards d’années-lumière.

La nouvelle collection de données, obtenue sur une période de 10 ans par l’observatoire de neutrinos IceCube, est donc un véritable trésor.

“Un seul neutrino peut isoler une source. Mais seule une observation avec de multiples neutrinos permettra de révéler le noyau obscur des objets cosmiques les plus énergétiques”, explique le physicien Francis Halzen de l’université du Wisconsin-Madison et chercheur principal d’IceCube.

“IceCube a accumulé quelque 80 neutrinos d’une énergie de l’ordre du téraélectronvolt à partir de NGC 1068, ce qui n’est pas encore suffisant pour répondre à toutes nos questions, mais constitue définitivement la prochaine grande étape vers la réalisation de l’astronomie des neutrinos.”

Les neutrinos sont des particules subatomiques presque sans masse, produites par la désintégration radioactive, qui imprègnent l’Univers.

Ils traversent tout, en permanence, et font partie des particules les plus abondantes de l’Univers. Elles vous traversent, en ce moment même. Et c’est ce qui les rend difficiles à détecter : Ils interagissent à peine avec quoi que ce soit.

Pour un neutrino, la matière normale de l’Univers peut aussi bien être de la fumée et des ombres. C’est pourquoi nous les appelons les particules fantômes.

C’est pourtant cette même propriété qui les rend si potentiellement utiles à étudier. Parce qu’ils ne sont pas affectés par l’Univers, ils voyagent toujours en ligne droite.

Et les neutrinos de haute énergie sont produits exclusivement dans des processus qui impliquent l’accélération des rayons cosmiques, comme les puissants jets générés dans l’environnement extrême d’un trou noir supermassif actif.

Si nous voulons en savoir plus sur ces usines à neutrinos, nous devons toutefois trouver les neutrinos, et c’est là qu’intervient IceCube. Enterrés dans l’obscurité glaciale sous la glace sombre de l’Antarctique, des photodétecteurs recherchent les gerbes de lumière produites lorsque les neutrinos interagissent occasionnellement avec des atomes ou des molécules.

Et c’est ainsi qu’une étroite collaboration internationale, analysant soigneusement 10 ans de données collectées par l’observatoire, a pu identifier 80 neutrinos de haute énergie dans la gamme de 1,5 à 15 TeV qui suivaient une ligne droite jusqu’à NGC 1068.

NGC 1068, comme nous l’avons déjà noté, est une galaxie active. C’est une spirale barrée, comme la Voie lactée ; à la différence de cette dernière, le trou noir supermassif au cœur de NGC 1068 dévore la matière à un rythme effréné dans l’espace qui l’entoure.

Le trou noir est entouré autour de l’équateur par un vaste tore et un disque de poussière et de gaz. Ces matières gravitent autour du trou noir et s’y nourrissent ; la gravité et la friction dans le tore et le disque produisent des quantités folles de chaleur et de lumière.

Toute la matière ne se retrouve pas au-delà de l’horizon des événements du trou noir. Les scientifiques pensent qu’une partie de cette matière est accélérée le long des lignes du champ magnétique du trou noir jusqu’aux pôles, où elle est lancée dans l’espace sous la forme de puissants jets de plasma qui traversent l’espace presque à la vitesse de la lumière.

Si le jet est dirigé dans notre direction, nous appelons cette galaxie un blazar ; TXS 0506+056 est un blazar, et l’analyse suggère que son neutrino de 300 TeV a été produit dans le jet dirigé vers la Terre.

Le jet de NGC 1068 n’est pas orienté dans notre direction. En fait, la galaxie est orientée de telle manière qu’une grande partie de la lumière à haute énergie provenant du noyau galactique actif est obscurcie par une poussière dense. Cela signifie que les neutrinos pourraient être un moyen de sonder un trou noir difficile à étudier autrement.

“Des modèles récents de l’environnement des trous noirs dans ces objets suggèrent que le gaz, la poussière et les radiations devraient bloquer les rayons gamma qui accompagneraient autrement les neutrinos”, explique le physicien Hans Niederhausen de l’université d’État du Michigan.

“Cette détection de neutrinos à partir du noyau de NGC 1068 va améliorer notre compréhension des environnements autour des trous noirs supermassifs.”

L’équipe interprète les neutrinos comme une signature de l’accélération des particules et dit que la découverte suggère que les noyaux galactiques actifs apportent une contribution significative à la population de neutrinos remplissant l’espace.

Ils affirment également que cette découverte constitue une percée pour l’astronomie des neutrinos et que NGC 1068 pourrait, à l’avenir, devenir l’une des pierres angulaires de ce domaine.

“Il y a plusieurs années, la NSF a lancé un projet ambitieux visant à élargir notre compréhension de l’Univers en combinant les capacités établies en astronomie optique et en radioastronomie avec de nouvelles capacités de détection et de mesure de phénomènes comme les neutrinos et les ondes gravitationnelles”, explique la physicienne Denise Caldwell de la National Science Foundation, qui a financé IceCube.

“L’identification par l’Observatoire de neutrinos IceCube d’une galaxie voisine comme source cosmique de neutrinos n’est que le début de ce nouveau domaine passionnant qui promet des aperçus de la puissance non découverte des trous noirs massifs et d’autres propriétés fondamentales de l’Univers.”

Les recherches ont été publiées dans Science.

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Source : ScienceAlert – Traduit par Anguille sous roche