IceCube Neutrino offre de nouveaux regards sur le cosmos

Une combinaison de détection de neutrinos et d'observations sur tout le spectre de la lumière a permis de localiser pour la première fois un accélérateur cosmique, revitalisant l'astronomie multi-messagers.

Fermi de la NASA (en haut à gauche) a identifié un trou noir monstre dans une galaxie lointaine comme la source d'un neutrino de haute énergie observé par l'observatoire IceCube Neutrino (chaînes de capteurs, en bas).
NASA / Fermi et Aurore Simonnet (Sonoma State Univ.)

Un seul neutrino infiniment petit - une particule ponctuelle sans charge électrique et presque pas de masse - que l'observatoire IceCube en Antarctique détecté le 22 septembre 2017 a eu un impact important sur le monde de la science depuis sa source annoncé au public le 12 juillet. Surnommé IceCube-170922A, il s’agit non seulement du premier neutrino de haute énergie à remonter à son lieu de naissance probable, mais également d’une avancée majeure pour l’astronomie multi-messagers.

Le neutrino d'un blazar

Après avoir voyagé dans l'espace sans se laisser décourager par des milliards d'années, l'IceCube-170922A a finalement rencontré la Terre. Il a traversé notre planète de manière inaperçue - tout comme les milliards de neutrinos qui traversaient votre corps à l'instant même ", mais quelque chose d'inhabituel s'est produit: il s'est écrasé dans un atome et a disparu, créant un muon. C'était la faible lumière bleuâtre émise par le muon qu'IceCube avait détectée. Les scientifiques sont revenus de ce signal pour déterminer de quelle direction venait le neutrino. 43 secondes après la détection, cet emplacement dans le ciel a été envoyé à des télescopes du monde entier pour un suivi.

En l'espace de quatre heures, l'observatoire spatial Neil Gehrels Swift a identifié un blazar appelé TXS 0506 + 056 comme source possible, situé à 3, 7 milliards d'années lumière de la Terre. Dans sa galaxie hôte, ce trou noir supermassif envoie deux jets de rayonnement de haute énergie, dont l'un se trouve dirigé vers la Terre. Le télescope Fermi Large Area a rapidement signalé que ce blazar était en train de s’illuminer, émettant une quantité énorme de rayons gamma de haute énergie. Ensuite, le télescope terrestre MAGIC - observant des rayons gamma d'énergie encore plus élevés - a confirmé le résultat de Fermi. Enfin, les observations de 20 télescopes ont détecté un blip en émission électromagnétique à travers le spectre.

Cette étude représente un moyen de sonder les processus de plus haute énergie dans le cosmos en utilisant non seulement le rayonnement électromagnétique (comme la lumière ou les rayons gamma), mais aussi les neutrinos. Bien que cette technique multi-messagers ait été utilisée pour la première fois en 1987, lorsque trois observatoires de neutrinos ont détecté 25 neutrinos après la supernova d'une étoile dans le Grand Nuage Magellan, l'exploit n'a pas été reproduit depuis. En revanche, le neutrino IceCube laisse entrevoir l’utilisation de l’astronomie multi-messagers pour sonder une multitude d’accélérateurs cosmiques courants (et en grande partie très lointains). La directrice de NSF, France Córdova, a alors déclaré lors d’une conférence de presse: "L’ère de l’astrophysique multi-messagers est là."

Les questions restent

Pourtant, un certain nombre de questions demeurent. La première et la plus évidente est de savoir si les scientifiques peuvent affirmer avec certitude que TXS 0506 + 056 est bien la source du neutrino. Après tout, aucun neutrino n'a été détecté dans des blazars à la torche beaucoup plus proches de la Terre, tels que Mkn 425 et Mkn 501. «Sur la base de données datant de 10 ans provenant d'IceCube et de Fermi, nous avons évalué la probabilité [que le neutrino soit celui du TXS 0506 + 056. source] de multiples façons », déclare Francis Halzen, chercheur principal d’IceCube (Université du Wisconsin, Madison). L'équipe a calculé une chance sur un seul sur mille que la détection se révèle être une fluctuation aléatoire du signal.

Ayant maintenant un objet dans le ciel pour référence, les scientifiques IceCube ont ensuite fouillé dans leurs données d'archives. La recherche s'est révélée fructueuse, mettant en évidence 19 neutrinos en 150 jours entre 2014 et 2015 provenant du blazar avec encore plus de certitude. «De plus, les données sur les neutrinos et les photons mesurées en 2014-15 et 2017 montrent le spectre caractéristique attendu d'un accélérateur cosmique», ajoute Halzen.

Cependant, si l’association TXS 0506 + 056 est très probable, elle reste incertaine. Kohta Murase (État de Penn) appelle à la prudence: «Si nous examinons l'histoire, de nombreuses affirmations ont laissé un tel degré de signification disparaître», a-t-il déclaré. "Il est clair que nous avons besoin de plus d'événements pour établir que les blazars sont des sources de neutrinos."

Une source d'énergie ultra haute?

Une autre question cruciale est de savoir si les nouveaux résultats concernant les neutrinos suggèrent que le blazar pourrait constituer une source potentielle pour un autre type de particule mystérieuse: les rayons cosmiques à ultra haute énergie (UHECR). Ces particules extrêmement énergétiques et rares sont des protons et des noyaux d'énergie supérieure à un milliard de milliards d'électron-volts - le grand collisionneur de hadrons devrait avoir la taille de l'orbite de Mercure pour accélérer un proton à l'énergie des plus puissants UHECR. Les UHECR voyagent à des vitesses extraordinaires dans le cosmos et parfois il pleut sur la Terre. Bien que ces rayons cosmiques soient retardés de millions d'années par des déviations des champs magnétiques cosmiques, nous ne pourrions jamais les voir arriver sur Terre avec les neutrinos ou les rayons gamma TXS 0506 + 056, mais ils produisent des neutrinos de haute énergie similaires à IceCube170922-A. Cela signifie sûrement que le blazar TXS 0506 + 056 est également une source d'UHECR - ou le fait-il?

"Si les UHECR étaient produits, nous aurions détecté des neutrinos à des énergies supérieures à celles observées", conclut Murase, l'un des nombreux auteurs qui - dans une vague d'activité autour de l'annonce - a posté des articles sur le référentiel de préimpression d'astronomie arXiv, tentant interpréter comment le blazar aurait pu produire le neutrino IceCube.

Schéma de l'observatoire de neutrinos IceCube.
Université du Wisconsin

Cependant, Ralph Engel, porte-parole de l'Observatoire Pierre Auger, à la recherche de l'UHECR, qui a confirmé l'année dernière que les UHECR venaient de l'extérieur de la Voie lactée, jette un doute sur l'affirmation de Murase. "Le neutrino IceCube provient probablement de rayons cosmiques moins énergivores que les UHECR", explique-t-il. "Mais les sources UHECR émettent des rayons cosmiques d'une gamme d'énergies. Le neutrino IceCube pourrait donc se situer tout en bas de cette plage." De plus, Engel soutient que les neutrinos IceCube, les UHECR et les rayons gamma extragalactiques emmagasinent une quantité d'énergie similaire dans un volume donné, suggérant que leur production est liée au même processus et aux mêmes sources.

Néanmoins, ce processus reste inconnu, tout comme la question de savoir si tous les blazars et autres accélérateurs cosmiques potentiels, tels que les galaxies étoilées, utilisent ce mécanisme. À bien des égards, l’annonce du neutrino IceCube a soulevé plus de questions que de réponses. Mais avec ce petit neutrino unique qui prouve que les scientifiques du monde entier peuvent rapidement rassembler, analyser et analyser les observations de signaux différents en travaillant ensemble, l'astronomie multi-messagers dispose désormais d'une base solide pour résoudre ces questions. Pour citer Cordova: "Comme dans toute bonne science, ce n'est que le début."