Un premier indice multi-messager d'un accélérateur de rayons cosmiques ?
Publié par Redbran le 26/07/2018 à 12:00
Source: CEA

© IceCube, University Madison-Wisconsin
Constitués de particules chargées et très rapides, les rayons cosmiques de haute énergie proviennent de l'espace et frappent l'atmosphère terrestre en se désagrégeant violemment. Déviés par les champs magnétiques présents dans tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) l'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.), leur direction d'arrivée sur la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre planètes...) ne peut donc plus nous renseigner sur leur origine et, à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit heure locale) et...), tant leur origine que le mécanisme d'accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique, l'accélération est une grandeur vectorielle qui indique...) de ces particules demeurent une énigme. Mais, publiés le 12 juillet 2018 dans Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour vrai au sens large. L'ensemble de...), les résultats d'observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir...) d'une nouvelle astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer leur origine, leur évolution, leurs propriétés...) dite "multi-messagers" dans laquelle s'implique le CEA notamment avec le télescope (Un télescope, (du grec tele signifiant « loin » et skopein signifiant « regarder, voir »), est un instrument d'optique permettant d'augmenter...) H.E.S.S pourraient éclaircir ce mystère sans réponses depuis plusieurs décennies.

Les rayons cosmiques sont des particules accélérées qui arrivent sur Terre avec des énergies prodigieuses, totalement inaccessibles aux collisionneurs créés par l'Homme (Un homme est un individu de sexe masculin adulte de l'espèce appelée Homme moderne (Homo sapiens) ou plus simplement « Homme ». Par distinction, l'homme prépubère est appelé un garçon, tandis...). Ces particules chargées sont déviées par les champs magnétiques baignant l'Univers et leur provenance apparente ne dit rien de leur origine. À ce jour, aucune source de rayons cosmiques de très hautes énergies n'a pu être identifiée et le mécanisme d'accélération de ces particules reste une énigme.

L'astronomie "multi-messager", associant ici neutrino (Le neutrino est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des particules. C’est un fermion de spin ½.) et photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent,...) gamma, pourrait changer la donne. Les rayons gamma à haute énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) sont en effet abondamment produits au cours des événements de haute énergie, renseignant sur la localisation, la morphologie et le spectre en énergie des sources. Les neutrinos émis par les particules accélérées sont, quant à eux, très difficiles à détecter mais pourront tracer les sources de rayons cosmiques.

Le CEA-Irfu (Institut de Recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la...) sur les lois Fondamentales de l'Univers) participe à cette quête avec l'observatoire gamma à haute énergie H.E.S.S., en Namibie, en étroite relation avec les télescopes à neutrinos IceCube et Antares. Ces derniers sont équipés d'un système d'alerte rapide capables d'annoncer aux télescopes partenaires une détection après seulement quelques dizaines de secondes.

Le 22 septembre 2017, un neutrino à 290 téraélectronvolts(1) a été repéré par IceCube, déclenchant une alerte 43 secondes plus tard. La direction d'origine du neutrino pointe vers un blazar à rayons gamma bien connu, c'est-à-dire un noyau actif de galaxie (Une galaxie est, en cosmologie, un assemblage d'étoiles, de gaz, de poussières et de matière noire et contenant parfois un trou noir supermassif en son centre.) possédant des jets de particules dirigés vers la Terre. Cette source est devenue observable (Dans le formalisme de la mécanique quantique, une opération de mesure (c'est-à-dire obtenir la valeur ou un intervalle de valeurs d'un...) par H.E.S.S. en Namibie environ quatre heures (L'heure est une unité de mesure  :) plus tard mais aucune émission gamma n'a été détectée dans cette zone.

Or plus tôt, depuis avril 2017, l'observatoire spatial Fermi de rayons gamma de plus basse énergie que H.E.S.S. avait détecté d'inhabituelles variations de flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant...) du blazar pendant plusieurs semaines, signalant une phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) active du blazar.

Cette coïncidence a alors suscité une vaste campagne (La campagne, aussi appelée milieu rural désigne l'ensemble des espaces cultivés habités, elle s'oppose aux concepts de ville,...) d'observations allant des fréquences radio aux rayons gamma de haute énergie. Il reste cependant une probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques,...) de 0,1 % que la coïncidence de l'événement neutrino avec le sursaut du blazar soit le fruit (En botanique, le fruit est l'organe végétal protégeant la graine. Caractéristique des Angiospermes, il succède à la fleur par...) du hasard (Dans le langage ordinaire, le mot hasard est utilisé pour exprimer un manque efficient, sinon de causes, au moins d'une reconnaissance de cause à...).

Les physiciens du CEA-Irfu, qui coordonnent ces observations avec H.E.S.S., préparent la mise en service de CTA (Cherenkov Telescope Array) qui sera un instrument de tout premier plan pour ces recherches.

Des neutrinos détectés sous la glace de l'Antarctique (L'Antarctique (prononcé [ɑ̃.taʁk.tik] Écouter) est le continent le plus méridional de la Terre. Situé au pôle Sud, il est...)

IceCube est un observatoire de neutrinos d'un kilomètre cube (En géométrie euclidienne, un cube est un prisme dont toutes les faces sont carrées. Les cubes figurent parmi les solides les plus remarquables de l'espace. C'est un des cinq solides...) situé sous le pôle Sud (Le pôle Sud est le point le plus au sud de la surface de la Terre, diamétralement opposé au pôle Nord. Il est situé sur le continent Antarctique.). C'est le plus grand détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a été spécifiquement conçu.) de neutrinos au monde (Le mot monde peut désigner :). Comportant plus de 5 000 photomultiplicateurs situés entre 1,5k à 2,5km de profondeur, il a été achevé en 2010 après 5 années de travaux.



En haut: Photographie du télescope à neutrinos IceCube en surface au pôle Sud (Le sud est un point cardinal, opposé au nord.). © Amble / En bas: Vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) schématique de l'évènement IceCube-170922A. Le code couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) représente le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) d'arrivée des signaux dans le détecteur (allant du rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) au bleu). © IceCube, University Madison-Wisconsin

Note:
(1) Unité de mesure (En physique et en métrologie, les unités sont des étalons pour la mesure de grandeurs physiques qui ont besoin de définitions précises pour être utiles. Les systèmes...) d'énergie valant 1012 électronvolts, un électronvolt correspond à l'énergie acquise par un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) accéléré par une différence de potentiel d'un volt


Références publication:
​- F. Schüssler et al. (H.E.S.S. Collaboration), H.E.S.S. observations following multi-messenger alerts in real-time, Proceedings of the 35th ICRC, https://arxiv.org/abs/1708.00466
- IceCube Collaboration et al., Multimessenger observations of a flaring blazar coincident with high-energy neutrino IceCube-170922A. Science 361, eaat1378 (2018). DOI: 10.1126/science.aat1378
- IceCube Collaboration, Neutrino emission from the direction of the blazar TXS 0506+056 prior to the IceCube-170922A alert. Science 361, 147-151 (2018). DOI: 10.1126/science.aat2890

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