💥 Une chasse mondiale aux sources de neutrinos cosmiques

Pour la première fois, une collaboration internationale de plus de 800 scientifiques a uni ses forces pour traquer les sources des neutrinos cosmiques de haute énergie. En combinant les observations de neutrinos avec celles des rayons gamma, cette approche multimessager ouvre une nouvelle fenêtre sur les phénomènes les plus violents de l'Univers.

Cette étude marque un tournant: quatre réseaux de télescopes Tcherenkov atmosphériques (FACT, H.E.S.S., MAGIC, VERITAS) et le Large Area Telescope (LAT) du satellite Fermi ont mis en commun leurs données pour la première fois pour chercher dans leurs données des événements gammas qui viendraient d'une même source que ceux de neutrinos détectés par IceCube en 2017. Une coopération inédite entre des installations habituellement en concurrence !


L'analyse comprend des observations de suivi d'événements de neutrinos de haute énergie observés par les quatre observatoires entre septembre 2017 (après l'événement IceCube-170922A) et janvier 2021. L'étude n'a trouvé aucune association entre les sources de rayons γ et les événements de neutrinos observés mais a permis de fournir des limites supérieures combinées sur le flux de rayons γ de très haute énergie que ces sources pourraient émettre. Ces limites sont plus contraignantes que celles obtenues par un seul télescope, car elles reposent sur une sensibilité accrue grâce à la combinaison des données.

Ces limites permettent d'écarter certains modèles théoriques d'accéleration de rayons cosmiques. Si un modèle prédit un flux de rayons gamma supérieur aux limites établies, il doit être revu.

Pourquoi chercher des rayons gamma associés aux neutrinos ?

L'astronomie est entrée dans l'ère de l'astrophysique "multi-messagers", où les phénomènes cosmiques sont étudiés non seulement à l'aide du rayonnement électromagnétique, mais aussi des ondes gravitationnelles et des neutrinos.

Lorsqu'un neutrino est produit dans une source astrophysique (comme un blazar ou un reste de supernova), il devrait être accompagné de rayons gamma de haute énergie. Ces rayons gamma, contrairement aux neutrinos, sont plus faciles à détecter et si on détecte des rayons gamma, cela confirme que la source est bien un accélérateur cosmique. Si on ne détecte rien, on peut tout de même établir une limite supérieure sur le flux de rayons gamma que cette source pourrait émettre.


Les chercheurs ont:
- cherché des sources de rayons gamma connues en lien avec des événements neutrinos détectés par IceCube entre septembre 2017 et janvier 2021.
- coordonné les observations de plusieurs télescopes à rayons gamma (H.E.S.S. pour le ciel austral, MAGIC, VERITAS et FACT pour le ciel boréal, ainsi que le Large Area Telescope (LAT) de Fermi).
- puis combiné leurs données pour établir des limites supérieures conjointes sur le flux de rayons gamma associé à chaque événement neutrino.

Résultat: Si les télescopes avaient détecté des rayons gamma en coïncidence avec les neutrinos, cela aurait confirmé l'identité de la source.

Comme aucune détection significative n'a été faite dans la plupart des cas, les chercheurs ont pu établir des limites supérieures sur le flux de rayons gamma que ces sources pourraient émettre. Ces limites sont plus contraignantes que celles obtenues par un seul télescope, car elles reposent sur une couverture complète du ciel et une sensibilité accrue grâce à la combinaison des données.

Exemple concret: Le cas du blazar 1ES 1312-423

Dans l'étude, un cas particulier a retenu l'attention: en mars 2019, H.E.S.S. a détecté des rayons gamma de très haute énergie en provenance du blazar 1ES 1312-423, après qu'IceCube ait détecté un amas de neutrinos dans la même région du ciel. Cependant, après une analyse approfondie, les chercheurs ont conclu que:
- Le flux de rayons gamma observé était compatible avec l'émission "normale" de ce blazar.
- Les neutrinos détecté par IceCube n'était probablement pas lié à ce blazar, mais plutôt à une fluctuation aléatoire du fond de neutrinos.
- Les limites supérieures établies pour les autres sources ont permis de conclure que aucune source ne montrait de corrélation claire entre neutrinos et rayons gamma pendant la période étudiée.

Que signifient ces limites pour la science:
- Exclure des modèles théoriques: L'étude fournit un "jeu de données de référence" qui contraint les modèles théoriques d'émission de neutrinos. Par exemple, si un modèle prédit qu'une source devrait émettre un flux de rayons gamma supérieur à la limite supérieure fixée par l'analyse conjointe, alors ce modèle est invalide et doit être revu.
- Elle démontre la capacité de la génération actuelle de télescopes Tcherenkov à fonctionner comme un réseau mondial, réagissant rapidement aux alertes de l'observatoire de neutrinos IceCube.
- Ce travail prépare le terrain pour l'avenir de l'astronomie temporelle. Les leçons tirées de ces recherches coordonnées sont essentielles pour le futur Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO), qui offrira une sensibilité améliorée et des temps de réaction rapides.
- De plus, le réseau mondial se prépare à assurer le suivi des alertes provenant des observatoires de neutrinos de prochaine génération tels que KM3NeT, ce qui augmentera considérablement notre capacité à saisir ces événements cosmiques violents sur le fait.