Pour la première fois, des astronomes ont réussi à identifier la source de neutrinos à haute énergie

C’est une découverte majeure pour le monde de l’astronomie. Le 12 juillet, deux publications sont parues dans la revue Science, dévoilant une découverte qui va surement chambouler le travail des astrophysiciens. Un phénomène connu depuis plus de cent ans mais encore mal compris, a été repéré dans notre univers par un moyen inédit : le neutrino. L’astronomie, qui se repose essentiellement sur l’observation de la lumière pourrait bientôt avoir un nouveau moyen de sonder l’espace.

Plus d’une dizaine d’équipes d’astrophysiciens viennent de secouer le monde de l’astronomie. Dans deux articles publiés récemment dans la revue Science, ils font état de la détection d’un événement d’une énergie folle : la production de rayons cosmiques dans une galaxie située à plus de 3,7 milliards d’années-lumière de la Terre dans la direction de la constellation Orion.

Cet événement est exceptionnel pour de multiples raisons. En premier lieu, c’est la première découverte d’une source de rayons cosmiques de haute énergie, alors que ce phénomène est connu depuis plus d’un siècle. Les rayons cosmiques sont en fait des jets de particules, en majorité des protons, accélérées pour atteindre des vitesses proches de celle de la lumière, ainsi qu’une énergie incommensurable.

Les plus intenses peuvent atteindre une énergie 40 millions de fois supérieure aux particules produites dans le plus puissant des accélérateurs sur Terre, le Large Hadron Collider (LHC). Atteindre ces énergies extrêmes nécessite ainsi des phénomènes à l’échelle des galaxies.

IceCube

Une vue des bâtiments de surface du détecteur géant de neutrinos IceCube, en Antarctique. La pureté de la glace à plus d’un kilomètre de profondeur permet à plus de 5.000 photomultiplicateurs d’enregistrer avec précision les flashs bleutés très ténus générés par les muons issus de la collision des neutrinos avec les noyaux atomiques dans la glace. La construction de IceCube a commencé en 2005, mais le détecteur est une version plus grande d’Amanda, qui date du début des années 1990. (Source : F. Pedreros/IceCube/NSF)

Le responsable de ce nouvel évènement qui fait l’objet des deux publications dans Science, est ce qu’on appelle un « blazar ». Ce terme désigne une galaxie qui possède en son centre un gigantesque trou noir. En dévorant la matière qui l’entoure, ce trou noir rejette des jets de particules accélérées à des vitesses folles, qui vont former les rayons cosmiques.

Contrairement aux rayons lumineux qui nous parviennent des quatre coins de la galaxie plus ou moins directement, les trajectoires des rayons cosmiques sont impossibles à retracer. Les particules chargées qui les composent sont déviées par tous les champs magnétiques présents entre une éventuelle source et notre planète. Autant dire que lorsqu’une de ces particules frappe notre atmosphère, impossible de savoir d’où elle provient.

La véritable prouesse réside dans la manière dont les physiciens ont réussi à contourner ce problème. C’est grâce à la détection d’une particule très particulière : le neutrino. Ces bolides cosmiques de très haute énergie accompagnent la création de rayons cosmiques. Leur trajectoire est bien plus facilement retraçable mais encore faut-il pouvoir les attraper.

Arriver à saisir le passage d’une de ces particules est un véritable tour de force en soit. Cette difficulté est due à la nature même du neutrino. Son absence de charge électrique et sa masse ridiculement faible lui permettent de passer à travers la matière en interagissant très rarement avec elle. À chaque instant, des centaines de milliards de neutrinos nous traverse sans provoquer quoi que ce soit dans notre corps.

Lorsque finalement un neutrino rentre en collision avec un proton, une particule nommée muon est produite. Pour avoir une chance de détecter ces rares muons, une seule solution s’offre aux scientifiques : construire des capteurs géants. Ce sont de grands espaces parsemés de dispositifs ultra sensibles qui permettent de suivre le passage des particules.

Le 22 septembre 2017, une de ces rares occurrences s’est produite. Au sein du plus grand observatoire de neutrinos au monde, IceCube, situé sous le pôle Sud, les scientifiques ont observé une particule traverser la cuve remplie de capteurs. Ils ont immédiatement déterminé la direction d’où venait la particule, et ont prévenu les astrophysiciens pour qu’ils pointent leurs télescopes dans cette direction.

Six jours plus tard, cette détection était validée, en impliquant pas loin d’une dizaine de systèmes d’observation. Le blazar a été retrouvé par un moyen plus conventionnel, la lumière qu’il émet. L’émission du neutrino de très haute énergie correspond à une activité accrue de la galaxie, observée par les télescopes.

Selon Markus Ackerman, un des auteurs de l’étude : « Lorsque des particules à de très hautes énergies sont accélérées, cela produit à la fois des neutrinos et des rayons gamma (…). Le fait que nous ayons détecté les deux éléments dans la même direction nous fait dire que nous avons localisé la véritable source de ces neutrinos ».

La détection du neutrino en lui-même est une prouesse technique, mais également une source d’informations précieuses sur cette particule. Ce n’est que la 3ème source naturelle de neutrino à avoir été clairement identifiée. La première et la plus pérenne est notre Soleil ; la seconde à avoir été repérée était bien plus éphémère : l’explosion d’une étoile au voisinage du système solaire.

En observant les neutrinos sur Terre et en étudiant leurs trajectoires, les scientifiques espèrent construire une nouvelle manière de faire de l’astronomie. L’utilisation des neutrinos permet de jeter un nouveau regard sur notre univers. Couplé aux instruments utilisant la lumière, et les nouveaux instruments mesurant les ondes gravitationnelles, les moyens de sonder l’espace se multiplient.

L’astronomie pratiqué avec ces trois sources d’informations, dites multimessager, pourrait permettre de nombreuses avancées sur la compréhension de tous les phénomènes cosmiques.

Source : Maxisciences

Vous pouvez consulter, sur le site d’Archipel des Sciences, la page Astronomie/Physique.

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