A la source des neutrinos cosmiques
ASTROPHYSIQUE IceCube, un détecteur de neutrinos installé en Antarctique, a permis de remonter jusqu’à une source de neutrinos cosmiques de haute énergie, que les physiciens cherchent depuis un siècle. Une nouvelle astronomie est née
D’où viennent les neutrinos et les rayons cosmiques de haute énergie? Grâce au détecteur IceCube installé en Antarctique, les physiciens pourraient enfin résoudre cette énigme vieille d’un siècle. L’instrument a permis de remonter la trace d’un neutrino cosmique jusqu’à sa source, un trou noir au coeur d’une galaxie extrêmement lumineuse appelée blazar, située à 4 milliards d’années-lumière de la Terre.
Il y a bien longtemps, dans une galaxie lointaine, très lointaine… furent émis des neutrinos qui font cette semaine l'objet de deux études dans la revue Science. Des astronomes de plusieurs collaborations internationales y écrivent avoir identifié, quelque part à 4 milliards d'années-lumière, une galaxie extrêmement lumineuse, ou blazar. Rien de surprenant jusque-là. Sauf que ce blazar émet des neutrinos cosmiques de haute énergie, des particules emmenant avec elles des informations capitales sur notre Univers. Une première depuis trente ans.
Les neutrinos font habituellement l'objet d'études de physique des particules dans lesquelles les auteurs examinent leur masse ainsi que leur oscillation, autrement dit leur capacité à changer de forme ou de saveur. Ces expériences sont souvent menées avec des neutrinos d'origine terrestre, créés dans des réacteurs nucléaires ou des accélérateurs de particules.
Les neutrinos cosmiques dont il est ici question sont fort différents: ce sont des neutrinos «sauvages», créés dans le coeur des étoiles ou dans les plus violents phénomènes galactiques (explosions, trous noirs…). Notre étoile le Soleil mise à part, les scientifiques ne connaissaient jusqu'ici qu'une seule source de neutrinos cosmiques: la supernova 1987A, née suite à l'explosion d'une étoile en 1987.
Petits neutres
Une seule source en trente ans, c'est peu. Mais logique, tant les neutrinos sont des particules paradoxales. Ils ont beau exister partout dans l'Univers (200 millions de milliards d'entre eux vous auront transpercé le temps de lire cet article), ils n'en demeurent pas moins insaisissables. Les «petits neutres», selon leur nom en italien qui fait référence à la nature de leur charge électrique, n'interagissent en effet presque pas avec la matière. Ils la traversent allègrement. Détecteurs compris, cela va sans dire.
Loin de se décourager, les physiciens ont bâti de (très) grands instruments pour en attraper, avec un intérêt particulier pour les neutrinos cosmiques dits de haute énergie. Cette énergie est incomparablement plus importante que celle des neutrinos créés sur Terre ou même dans la supernova 1987A. Où ces neutrinos vont-ils chercher cette énergie folle? Les théoriciens les soupçonnent de les acquérir dans des blazars, ces galaxies colossales avec pour coeur un trou noir rotatif émettant deux jets de lumière et de particules le long de son axe de rotation.
Ne restait donc plus aux expérimentateurs qu'à valider ou balayer cette hypothèse. «La théorie prédit que ce sont ces jets qui confèrent à certains neutrinos et certains rayons cosmiques leur énergie exceptionnelle. Cela fait cent ans que la physique en attendait une validation expérimentale!» s'enthousiasme Fabian Schüssler, du Département de physique des particules du Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) à Saclay, près de Paris.
En fait, neutrinos et rayons cosmiques sont liés. Déviés par les champs magnétiques, les rayons cosmiques ne livrent aucune information sur leur source. Mais en interagissant avec la matière, les particules qui les composent (protons, électrons...) peuvent créer des neutrinos. Qui ne sont pas déviés, eux, puisqu'ils filent tout droit sans s'arrêter. Les physiciens misaient donc sur ces derniers pour remonter la trace des rayons cosmiques de haute énergie.
20 000 lieues sous les glaces
C'est ainsi que fut construit IceCube, gigantesque détecteur d'un kilomètre cube construit sous 1500 mètres de glace en Antarctique. L'instrument met chaque année le grappin sur une vingtaine de neutrinos de haute énergie, sans toutefois pouvoir en déterminer l'origine. Cette fois, il y est parvenu. Le 22 septembre 2017, un de ces neutrinos sous EPO a traversé les instruments d'IceCube. L'alerte fut donnée 43 secondes plus tard à un réseau d'appareils astronomiques répartis dans le monde entier. Recoupant un maximum de mesures indépendantes afin de trianguler la position de la source, les scientifiques ont établi que la direction générale de ce neutrino coïncidait justement avec un blazar nommé TXS 0506+56. Trois décennies après 1987A, les physiciens tenaient enfin une véritable source de neutrinos de haute énergie!
Le petit neutre en question, poétiquement baptisé IceCube170922A, aurait une énergie estimée de l'ordre de 290 téraélectronvolts. C'est 200 fois plus que l'énergie des collisions de protons dans les boyaux du LHC, l'accélérateur de particules du CERN. Prudents, les auteurs ne parlent pas pour autant de détection. Avec une précision dite de trois sigmas, il y a une chance sur mille que cette détection soit une erreur.
Les astronomes ne vont néanmoins pas se gêner pour étudier ce neutrino sous toutes les coutures. Sa trajectoire, sa saveur et son énergie seront disséquées afin d'en savoir plus sur les processus cosmiques ayant conduit à sa formation. «Etant donné que les neutrinos n'interagissent presque pas avec la matière, ils arrivent jusqu'à nous quasiment intacts en emmenant avec eux des informations sur ces phénomènes extrêmes qui président à leur formation», indique Teresa Montaruli, du Département de physique nucléaire et corpusculaire de l'Université de Genève et membre de la collaboration IceCube. Concernant l'acquisition de son énergie, «elle pourrait s'expliquer par l'action des champs magnétiques associés aux chocs dans les jets du blazar TXS», avance la physicienne.
Qualité contre quantité
Les neutrinos sont des particules paradoxales.
Ils ont beau exister partout dans l’Univers, ils n’en demeurent pas moins insaisissables
Un seul neutrino, cela peu paraître bien maigre. Mais la qualité importe plus que la quantité, rappelle Damien Dornic, du Centre de physique des particules de Marseille: «La vingtaine de neutrinos détectés lors de la supernova 1987A a fourni assez de données pour révolutionner les connaissances sur ces phénomènes. Le modèle standard du Soleil a de son côté été établi grâce à la détection initiale d'un petit nombre de neutrinos.»
Ces deux études soulignent également l'essor de l'astronomie dite multimessager, dans laquelle les événements cosmiques sont observés dans toutes les longueurs d'onde, par le biais d'un maximum de particules différentes (photons, protons des rayons gamma, rayons X, ondes gravitationnelles, etc.). De telles analyses sont possibles en faisant coopérer un maximum d'instruments indépendants au sein d'un même réseau. Dès qu'un événement suspect est isolé, l'alerte est donnée et tout le monde peut braquer son télescope dans la même direction.
«Quatre heures après le signal, nous avons pu observer ce blazar, raconte Fabian Schüssler, par ailleurs membre de la collaboration HESS, un détecteur de rayons gamma de haute énergie situé en Namibie. L'astronomie multimessager est un secteur qui gagne en importance ces derniers temps.» Avec les neutrinos cosmiques comme nouveaux yeux pour observer les galaxies, nul doute que cette discipline n'a pas fini de faire parler d'elle.
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