Un trou noir massif à l'origine des neutrinos cosmiques
Publié par Redbran le 18/07/2018 à 12:00
Source: Université de Genève (UNIGE)
Une équipe internationale de scientifiques, dont des chercheurs de l'UNIGE, a identifié pour la première fois une source de neutrinos de haute énergie, des particules fantômes qui voyagent sans entrave sur des milliards d'années-lumière.


Le laboratoire d'IceCube qui abrite le système de contrôle du 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...) IceCube, installé dans les glaces du continent (Le mot continent vient du latin continere pour « tenir ensemble », ou continens terra, les « terres continues ». Au sens propre, ce terme désigne une vaste étendue continue de...) antarctique (L'Antarctique (prononcé [ɑ̃.taʁk.tik] Écouter) est le continent le plus méridional de la Terre. Situé au pôle Sud, il est entouré de...), et qui permet la détection de neutrinos, des particules fantômes sans charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être transporté.) et presque sans masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du...). (© Felipe Pedreros, IceCube/NSF)

D'où viennent les rayons cosmiques? Et comment leurs particules sont-elles accélérées jusqu'à des niveaux d'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.) impossibles à reproduire sur 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...) ? Difficile de le savoir, tant ils sont affectés par les champs magnétiques qu'ils traversent en voyageant dans l'espace. Mais les sources qui les produisent émettent aussi des neutrinos de haute énergie, des particules "fantômes" sans charge et presque sans masse. L'un d'eux, de très haute énergie (environ 300 TeV) et détecté au 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...) par l'observatoire IceCube, a permis de pointer un trou noir (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense qu’il empêche toute forme de matière ou de rayonnement de s’en échapper (à l'exception notable...) très massif (Le mot massif peut être employé comme :) comme source. Suite à l'annonce de la détection de ce neutrino (Le neutrino est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des particules. C’est un fermion de spin ½.) par IceCube, un projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande...) international réunissant plus de 300 scientifiques venus de 49 institutions dont l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa...) de Genève (UNIGE), les observations menées par des télescopes à rayons gamma, sur Terre et en orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.), ont révélé un trou noir dans une phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) active, dans une direction compatible avec le neutrino. En analysant les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) historiques collectées par IceCube, une équipe de l'UNIGE a pu apporter une confirmation supplémentaire. Cette découverte fait l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est défini...) de deux articles publiés par la revue 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...).

Le 22 septembre 2017, l'observatoire de neutrinos IceCube, un gigantesque détecteur 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...) enfoui sous les glaces du pôle sud (Le sud est un point cardinal, opposé au nord.) à la station Amundsen-Scott, détectait la collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) d'un neutrino de haute énergie avec un noyau atomique (Le noyau atomique désigne la région située au centre d'un atome constituée de protons et de neutrons (les nucléons). La taille du noyau (10-15 m) est considérablement plus petite que celle de l'atome (10-10...). "Un seul sur les millions qui ont dû atteindre la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est...) de l'Antarctique ce jour-là, tant ces particules sans charge, presque sans masse, indifférentes aux champs magnétiques et presque sans interactions avec la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La...), sont difficiles à observer", explique Teresa Montaruli, professeure au Département de physique nucléaire (La physique nucléaire est la description et l'étude du principal constituant de l'atome : le noyau atomique. On peut distinguer :) et corpusculaire de la Faculté des sciences de l'UNIGE et membre de l'expérience IceCube.

L'événement est aussitôt partagé avec la communauté des astronomes et leurs batteries de télescopes, sur Terre et en orbite, dans l'espoir de résoudre une des plus anciennes énigmes de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.): d'où viennent les rayons cosmiques - détectés pour la première fois par les physiciens austro-américain Victor Hess et suisse Albert Gockel il y a plus d'un siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la...) - et les particules de haute énergie qui nous arrivent continuellement de l'espace? Et par quoi sont-ils engendrés?

Une forte éruption de rayons gamma

En croisant les données d'IceCube avec celles des observatoires de rayons gamma, les télescope (Un télescope, (du grec tele signifiant « loin » et skopein signifiant « regarder, voir »), est un instrument d'optique permettant d'augmenter la luminosité ainsi que la taille apparente des objets...) spatiaux Fermi et AGILE et le Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescope (MAGIC) dans les îles Canaries, auxquels participe également l'ETHZ, les chercheurs ont pu identifier la source du neutrino détecté le 22 septembre. C'est un objet de type "blazar", un trou noir très massif et en rotation rapide situé au centre d'une 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.) spirale (En mathématiques, une spirale est une courbe qui commence en un point central puis s'en éloigne de plus en plus, en même temps qu'elle tourne autour.) avec son jet de particules en direction de la Terre. Il se trouve à environ 4 milliards d'années-lumière de la Terre et est connu par les astronomes sous le nom de TXS 0506+056. Concrètement, le télescope spatial (Un télescope spatial est un télescope placé au delà de l'atmosphère. Le télescope spatial présente l'avantage par rapport à son...) Fermi et AGILE ont identifié une forte éruption de rayons gamma à la date et dans la direction de la source indiquée par le neutrino. Un suivi ultérieur par MAGIC (MagiC est un système d'exploitation propriétaire multitâche pour ordinateurs Atari ST et compatibles. Il a été porté...) a détecté des rayons gamma d'énergies encore plus élevées. Des scientifiques du Département d'astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer leur origine, leur évolution, leurs propriétés physiques et...) de de la Faculté des sciences de l'UNIGE, qui participent à l'expérience INTÉGRAL, ont également mené des observations également reprises dans Science.

L'ère de l'astrophysique multi-messagers

La seule observation (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...) des rayons cosmiques n'aurait pas suffi à identifier cette source: constitués de particules chargées, les rayons cosmiques sont affectés par les champs magnétiques qu'ils traversent, déformant leur trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et notamment par son centre de gravité.) et interdisant de remonter à leur origine. Mais les accélérateurs cosmiques qui les produisent engendrent aussi des rayons gamma et des neutrinos de haute énergie qui voyagent à travers l'espace sans subir la moindre influence et offrent aux scientifiques un pointeur presque direct vers leur source. "En combinant observation (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 procuré explique la très...) des neutrinos et des rayons gamma, nous entrons dans l'ère de l'astrophysique multi-messagers", s'enthousiasme Teresa Montaruli. Les observations menées ont aussi été corroborées par d'autres instruments, y compris des télescopes optiques et des radiotélescopes.

Ces observations font de TXS 056+056 l'une des sources les plus lumineuses de l'univers connu, un véritable "moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif qui déplace de la matière en apportant de la puissance. Il effectue ce travail à partir d'une énergie (éolienne,...) cosmique" suffisamment puissant pour accélérer les rayons cosmiques et produire les neutrinos de haute énergie qui leur sont associés. Les rayons cosmiques sont les particules les plus énergétiques jamais observées, une énergie jusqu'à cent millions de fois supérieures à celles des particules du LHC au CERN, le plus puissant accélérateur de particules (Les accélérateurs de particules sont des instruments qui utilisent des champs électriques et/ou magnétiques pour amener des particules chargées...) d'origine humaine. Comprendre comment elles sont créées intéresse donc non seulement l'astronomie, mais aussi la physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs interactions. On...) et des plasmas.

Une confirmation par l'analyse statistique

Le groupe de Teresa Montaruli a mené une analyse statistique des données historiques collectées par IceCube et a découvert qu'une douzaine de neutrinos de haute énergie, détectés à la fin de 2014 et au début de 2015, coïncidaient avec le même blazar. Cette analyse s'appuie sur la thèse (Une thèse (du nom grec thesis, se traduisant par « action de poser ») est l'affirmation ou la prise de position d'un locuteur, à l'égard du sujet ou du thème qu'il évoque.) de doctorat (Le doctorat (du latin doctorem, de doctum, supin de docere, enseigner) est généralement le grade universitaire le plus élevé. Le titulaire de ce grade est le docteur. Selon les pays...) défendue à Genève par Asen Christov et sur les travaux subséquents menés par Imen Al Samarai, postdoctorante au Département de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...) nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) et corpusculaire de l'UNIGE et corresponding author de l'un des deux articles publiés par Science.

L'observation d'un excès de neutrinos en 2014-2015 par rapport au bruit de fond (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une sensation auditive.) dû aux neutrinos atmosphériques est une confirmation indépendante qui renforce considérablement l'hypothèse selon laquelle TXS 0506+056 est le premier accélérateur connu des neutrinos et des rayons cosmiques de haute énergie. "Les preuves de l'observation de la première source connue de neutrinos à haute énergie et de rayons cosmiques sont convaincantes", affirme Francis Halzen, professeur de physique à l'Université du Wisconsin-Madison et responsable scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) de l'observatoire IceCube Neutrino. "De telles percées ne sont possibles que si l'on s'engage à long terme dans la recherche fondamentale (La recherche fondamentale regroupe les travaux de recherche scientifique n'ayant pas de finalité économique déterminée au moment des travaux. On oppose en général la recherche fondamentale à la...)" souligne pour sa part France Córdova, directrice de la National Science Foundation (NSF) qui soutient l'observatoire IceCube et la IceCube Collaboration, une équipe internationale comptant plus de 300 scientifiques venus de 49 institutions dans 12 pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²), subdivision de la civitas...) différents.

Le plus grand détecteur au monde

La détection des neutrinos de haute énergie nécessite un détecteur de particules (Un détecteur de particules est un appareil de physique des particules qui permet de détecter le passage d'une particule, et, généralement, d'en déduire sa masse et...) imposant et IceCube est, en volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.), le plus grand au monde. Encapsulant un kilomètre cube de glace (La glace est de l'eau à l'état solide.) vierge à une profondeur d'un mile sous la surface du pôle Sud, il est composé de plus de 5 000 capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique, une hauteur de mercure, une intensité, la déviation d'une aiguille…. On fait...) de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm...) disposés en grille ( Un grille-pain est un petit appareil électroménager. Une grille écran est un élément du tube de télévision. Une grille d'arrêt est un élément du tube de télévision. Une grille de...). Lorsqu'un neutrino interagit avec le noyau d'un atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. La...), il produit une particule chargée qui, à son tour, génère un cône caractéristique de lumière bleue capté par IceCube et cartographié à travers la grille du détecteur. Parce que la particule chargée et la lumière qu'elle génère préservent la direction du neutrino, elles donnent aux scientifiques un chemin à suivre jusqu'à sa source.

IceCube surveille en permanence le ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.), y compris à travers la Terre jusqu'à l'hémisphère Nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.), et détecte un neutrino toutes les quelques minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est la carte originale, au crayon, levée sur le terrain. ...). La plupart des neutrinos qu'il détecte sont cependant de faible énergie, créés par des phénomènes plus courants, comme les averses de particules subatomiques provenant de particules de rayons cosmiques qui heurtent des noyaux atomiques dans l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) terrestre.

Contacts scientifiques:
- Teresa Montaruli
Professeure au Département de physique nucléaire et corpusculaire
Faculté des sciences, UNIGE

- Imen Al Samarai
Postdoctorante au Département de physique nucléaire et corpusculaire
Faculté des sciences, UNIGE

Référence publication:
Cette recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances...) est publiée dans deux articles de Science
DOIS: 10.1126/science.aat1378 et 10.1126/science.aat2890
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