Des astronomes ont tracé un neutrino de haute énergie jusqu’à sa source cosmique pour la toute première fois, résolvant ainsi un mystère vieux d’un siècle.

Les neutrinos sont des particules subatomiques presque sans masse qui n’ont pas de charge électrique et interagissent donc rarement avec leur environnement. En effet, des trillions de ces « particules fantômes » traversent votre corps de manière inaperçue et sans entrave chaque seconde.

La plupart de ces neutrinos proviennent du soleil. Mais un petit pourcentage d’entre eux, qui possèdent des énergies extrêmement élevées, ont été envoyés dans notre coin de pays depuis l’espace lointain. L’insaisissabilité inhérente aux neutrinos a empêché les astronomes de cerner l’origine de ces vagabonds cosmiques – jusqu’à présent.

Les observations de l’observatoire de neutrinos IceCube au pôle Sud et d’une foule d’autres instruments ont permis aux chercheurs de suivre un neutrino cosmique jusqu’à un lointain blazar, une énorme galaxie elliptique avec un trou noir supermassif en rotation rapide en son cœur.

Et ce n’est pas tout. Les neutrinos cosmiques vont de pair avec les rayons cosmiques, des particules chargées très énergétiques qui frappent notre planète en permanence. Ainsi, cette nouvelle découverte fait des blazars des accélérateurs d’au moins certains des rayons cosmiques les plus rapides.

Les astronomes s’interrogent sur ce point depuis la découverte des rayons cosmiques, en 1912. Mais ils ont été contrecarrés par la nature chargée de ces particules, qui fait que les rayons cosmiques sont tirés dans tous les sens par divers objets lorsqu’ils traversent l’espace. Le succès est finalement venu en utilisant le trajet en ligne droite d’une particule fantôme compagnon de route.

« Nous avons cherché les sources des rayons cosmiques pendant plus d’un siècle, et nous en avons finalement trouvé une », a déclaré à Space.com Francis Halzen, scientifique principal de l’Observatoire de neutrinos IceCube et professeur de physique à l’Université du Wisconsin-Madison.

Un travail d’équipe

IceCube, qui est géré par la National Science Foundation (NSF) des États-Unis, est un chasseur de neutrinos dédié. L’installation se compose de 86 câbles, qui se nichent dans des trous de forage qui s’étendent sur environ 2,5 kilomètres dans la glace de l’Antarctique. Chaque câble contient à son tour 60 « modules optiques numériques » de la taille d’un ballon de basket, qui sont équipés de détecteurs de lumière sensibles.

Ces détecteurs sont conçus pour capter la lumière bleue caractéristique émise après l’interaction d’un neutrino avec un noyau atomique. (Cette lumière est émise par une particule secondaire créée par l’interaction. Et au cas où vous vous poseriez la question : Toute cette glace superposée empêche les particules autres que les neutrinos d’atteindre les détecteurs et de salir les données). Ce sont des événements rares ; IceCube ne repère que quelques centaines de neutrinos par an, a déclaré Halzen.

L’installation a déjà apporté de grandes contributions à l’astronomie. En 2013, par exemple, IceCube a effectué la toute première détection confirmée de neutrinos provenant d’au-delà de la Voie lactée. À l’époque, les chercheurs n’ont pas été en mesure de déterminer la source de ces particules fantômes de haute énergie.

Le 22 septembre 2017, cependant, IceCube a détecté un autre neutrino cosmique. Il était extrêmement énergétique, emballant environ 300 téraélectron-volts – près de 50 fois plus que l’énergie des protons qui circulent dans l’accélérateur de particules le plus puissant de la Terre, le Grand collisionneur de hadrons.

Dans la minute qui a suivi la détection, l’installation a envoyé une notification automatique, alertant les autres astronomes de la découverte et relayant les coordonnées de la parcelle de ciel qui semblait abriter la source de la particule.

La communauté a répondu : Près de 20 télescopes au sol et dans l’espace ont scruté cette tache à travers le spectre électromagnétique, des ondes radio de faible énergie aux rayons gamma de haute énergie. Les observations combinées ont permis de tracer l’origine du neutrino jusqu’à un blazar déjà connu appelé TXS 0506+056, qui se trouve à environ 4 milliards d’années-lumière de la Terre.

Par exemple, les observations de suivi effectuées par plusieurs instruments différents – dont le télescope spatial Fermi Gamma-ray en orbite autour de la Terre de la NASA et le télescope MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescope) dans les îles Canaries – ont révélé une puissante explosion de rayons gamma provenant de TXS 0506+056.

L’équipe d’IceCube a également parcouru ses données d’archives et a trouvé plus d’une douzaine d’autres neutrinos cosmiques qui semblaient provenir du même blazar. Ces particules supplémentaires ont été captées par les détecteurs de fin 2014 à début 2015.

« Toutes les pièces s’assemblent », a déclaré dans un communiqué Albrecht Karle, scientifique principal d’IceCube et professeur de physique à UW-Madison. « L’éruption de neutrinos dans nos données d’archives est devenue une confirmation indépendante. Avec les observations des autres observatoires, c’est une preuve irréfutable que ce blazar est une source de neutrinos extrêmement énergétiques, et donc de rayons cosmiques de haute énergie. »

Les résultats sont rapportés dans deux nouvelles études publiées en ligne aujourd’hui (12 juillet) dans la revue Science. Vous pouvez les trouver ici et ici.

L’astrophysique multimessagère en plein essor

Les blazars sont un type spécial de galaxie active superlumineuse qui émettent des jets jumeaux de lumière et de particules, dont l’un est dirigé directement vers la Terre. (C’est en partie pour cela que les blazars nous apparaissent si brillants – parce que nous sommes dans la ligne de tir des jets.)

Les astronomes ont identifié plusieurs milliers de blazars à travers l’univers, dont aucun n’a encore été trouvé pour nous envoyer des neutrinos comme l’est TXS 0506+056.

« Il y a quelque chose de spécial à propos de cette source, et nous devons comprendre ce que c’est », a déclaré Halzen à Space.com.

Ce n’est qu’une des nombreuses questions soulevées par les nouveaux résultats. Par exemple, Halzen aimerait aussi connaître le mécanisme d’accélération : comment, exactement, les blazars font-ils monter les neutrinos et les rayons cosmiques à des vitesses aussi considérables ?

Halzen a exprimé son optimisme quant à la réponse à de telles questions dans un avenir relativement proche, citant la puissance de « l’astrophysique multimessager » – l’utilisation d’au moins deux types de signaux différents pour interroger le cosmos – exposée dans les deux nouvelles études.

La découverte des neutrinos suit de près un autre repère multimessager : En octobre 2017, des chercheurs ont annoncé qu’ils avaient analysé une collision entre deux étoiles à neutrons superdenses en observant à la fois le rayonnement électromagnétique et les ondes gravitationnelles émises lors de cet événement dramatique.

« L’ère de l’astrophysique multimessager est arrivée », a déclaré France Cordova, directrice de la NSF, dans le même communiqué. « Chaque messager – du rayonnement électromagnétique aux ondes gravitationnelles et maintenant aux neutrinos – nous donne une compréhension plus complète de l’univers et de nouveaux aperçus importants sur les objets et les événements les plus puissants du ciel. »

Suivez Mike Wall sur Twitter @michaeldwall et Google+. Suivez-nous sur @Spacedotcom, Facebook ou Google+. Publié initialement sur Space.com.

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