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...) IceCube, installé dans les glaces du continent (Le mot continent vient du latin continere pour « tenir ensemble », ou continens...) antarctique (L'Antarctique (prononcé [ɑ̃.taʁk.tik] Écouter) est le continent le plus...), 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...) et presque sans masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...). (© 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...) impossibles à reproduire sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...) ? 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...) 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...) 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...) par IceCube, un projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a...) international réunissant plus de 300 scientifiques venus de 49 institutions dont l'Université de Genève (L'université de Genève (UNIGE) est l'université publique du canton de Genève en...) (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...), ont révélé un trou noir dans une phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) 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...) 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...) de deux articles publiés par la revue Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire...).

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....) 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...) d'un neutrino de haute énergie avec un noyau atomique (Le noyau atomique désigne la région située au centre d'un atome constituée de...). "Un seul sur les millions qui ont dû atteindre la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) 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...), sont difficiles à observer", explique Teresa Montaruli, professeure au Département de physique nucléaire (La physique nucléaire est la science qui étudie non seulement le noyau atomique en tant...) 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...) - 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...) 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...) spirale (En mathématiques, une spirale est une courbe qui commence en un point central puis s'en...) 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...) 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...) 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...) 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...) 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...) 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...) 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...) 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...) 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...) 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...) de doctorat (Le doctorat (du latin doctorem, de doctum, supin de docere, enseigner) est généralement...) 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...) 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....) 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 (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) 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...) 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...)" 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...) 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...) imposant et IceCube est, en volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...), 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...) de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) disposés en grille ( Un grille-pain est un petit appareil électroménager. Une grille écran est un...). Lorsqu'un neutrino interagit avec le noyau d'un atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que...), 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...). 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 terrestre (L'atmosphère terrestre est l'enveloppe gazeuse entourant la Terre solide. L'air sec se compose...).

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...) est publiée dans deux articles de Science
DOIS: 10.1126/science.aat1378 et 10.1126/science.aat2890
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