L’analyse des neutrinos IceCube identifie une source galactique possible pour les rayons cosmiques

Agrandir / Représentation artistique d’une source de neutrinos cosmiques brillant au-dessus de l’observatoire IceCube au pôle Sud. Sous la glace se trouvent des photodétecteurs qui captent les signaux de neutrinos.

IceCube/NSF

Depuis que le physicien français Pierre Auger a proposé en 1939 que les rayons cosmiques doivent transporter des quantités incroyables d’énergie, les scientifiques se demandent ce qui pourrait produire ces puissants amas de protons et de neutrons qui pleuvent sur l’atmosphère terrestre. Un moyen possible d’identifier de telles sources est de retracer les chemins parcourus par les neutrinos cosmiques de haute énergie sur leur chemin vers la Terre, puisqu’ils sont créés par des rayons cosmiques entrant en collision avec de la matière ou des radiations, produisant des particules qui se désintègrent ensuite en neutrinos et en rayons gamma.

Les scientifiques de l’observatoire de neutrinos IceCube au pôle Sud ont maintenant analysé une décennie de telles détections de neutrinos et découvert des preuves qu’une galaxie active appelée Messier 77 (alias Squid Galaxy) est un candidat solide pour un tel émetteur de neutrinos à haute énergie, selon à un nouvel article publié dans la revue Science. Il rapproche les astrophysiciens de la résolution du mystère de l’origine des rayons cosmiques de haute énergie.

“Cette observation marque l’aube de pouvoir vraiment faire de l’astronomie des neutrinos”, a déclaré Janet Conrad, membre d’IceCube du MIT, à APS Physics. “Nous avons lutté pendant si longtemps pour voir des sources potentielles de neutrinos cosmiques à très haute importance et maintenant nous en avons vu une. Nous avons brisé une barrière.”

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Comme nous l’avons déjà signalé, les neutrinos se déplacent à une vitesse proche de la lumière. Le poème de 1959 de John Updike, “Cosmic Gall”, rend hommage aux deux caractéristiques les plus déterminantes des neutrinos : ils n’ont pas de charge et, pendant des décennies, les physiciens ont cru qu’ils n’avaient pas de masse (ils ont en fait une toute petite masse). Les neutrinos sont la particule subatomique la plus abondante dans l’univers, mais ils interagissent très rarement avec tout type de matière. Nous sommes constamment bombardés à chaque seconde par des millions de ces minuscules particules, mais elles nous traversent sans même que nous nous en apercevions. C’est pourquoi Isaac Asimov les a surnommées “particules fantômes”.

Lorsqu'un neutrino interagit avec des molécules dans la glace transparente de l'Antarctique, il produit des particules secondaires qui laissent une trace de lumière bleue lorsqu'elles traversent le détecteur IceCube.
Agrandir / Lorsqu’un neutrino interagit avec des molécules dans la glace transparente de l’Antarctique, il produit des particules secondaires qui laissent une trace de lumière bleue lorsqu’elles traversent le détecteur IceCube.

Nicolle R. Fuller, IceCube/NSF

Ce faible taux d’interaction rend les neutrinos extrêmement difficiles à détecter, mais parce qu’ils sont si légers, ils peuvent s’échapper sans entrave (et donc en grande partie inchangés) par des collisions avec d’autres particules de matière. Cela signifie qu’ils peuvent fournir des indices précieux aux astronomes sur les systèmes distants, encore augmentés par ce qui peut être appris avec des télescopes à travers le spectre électromagnétique, ainsi que des ondes gravitationnelles. Ensemble, ces différentes sources d’information ont été qualifiées d’astronomie “multimessagers”.

La plupart des chasseurs de neutrinos enterrent leurs expériences profondément sous terre, pour mieux annuler les interférences bruyantes provenant d’autres sources. Dans le cas d’IceCube, la collaboration comprend des réseaux de capteurs optiques de la taille d’un ballon de basket enfouis profondément dans la glace antarctique. Dans les rares occasions où un neutrino qui passe interagit avec le noyau d’un atome dans la glace, la collision produit des particules chargées qui émettent des photons UV et bleus. Ceux-ci sont captés par les capteurs.

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IceCube est donc bien placé pour aider les scientifiques à faire progresser leurs connaissances sur l’origine des rayons cosmiques de haute énergie. Comme Natalie Wolchover l’a expliqué avec conviction à Quanta en 2021 :

Un rayon cosmique n’est qu’un noyau atomique, un proton ou un groupe de protons et de neutrons. Pourtant, les rares rayons cosmiques connus sous le nom de rayons cosmiques «à très haute énergie» ont autant d’énergie que les balles de tennis servies par des professionnels. Ils sont des millions de fois plus énergétiques que les protons qui se précipitent autour du tunnel circulaire du Grand collisionneur de hadrons en Europe à 99,9999991 % de la vitesse de la lumière. En fait, le rayon cosmique le plus énergétique jamais détecté, surnommé la “particule Oh-My-God”, a frappé le ciel en 1991 à quelque chose comme 99,99999999999999999999951 pour cent de la vitesse de la lumière, ce qui lui donne à peu près l’énergie d’une boule de bowling tombée de l’épaule hauteur sur un orteil.

Mais d’où proviennent ces puissants rayons cosmiques ? Une forte possibilité est les noyaux galactiques actifs (AGN), trouvés au centre de certaines galaxies. Leur énergie provient des trous noirs supermassifs au centre de la galaxie et/ou de la rotation du trou noir.

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