Des usines à neutrinos dans l'espace lointain

Publié par Redbran le 31/07/2022 à 13:00
Source: UNIGE - Université de Genève
Une équipe de recherche internationale révèle pour la première fois l'origine des neutrinos, des particules élémentaires qui atteignent notre planète depuis les profondeurs de l'Univers.


Vue d'artiste d'un blazar accélérant les rayons cosmiques, les neutrinos et les photons, comme observé dans les blazars PeVatron.
© Benjamin Amend

Hautement énergétiques et difficiles à détecter, les neutrinos parcourent des milliards d'années-lumière avant d'atteindre notre planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de...). Si l'on sait que ces particules élémentaires proviennent du fin fond de notre Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.), leur origine précise demeure encore méconnue. Une équipe internationale de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) pilotée par l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) de Würtzburg (JMU) en Allemagne et l'Université de Genève (L'université de Genève (UNIGE) est l'université publique du canton de Genève en...) (UNIGE), lève le voile sur un pan de ce mystère: les neutrinos naîtraient notamment dans les blazars, des noyaux galactiques alimentés par des trous noirs supermassifs. Ces résultats sont à découvrir dans la revue Astrophysical Journal Letters.

L'atmosphère terrestre (L'atmosphère terrestre est l'enveloppe gazeuse entourant la Terre solide. L'air sec se compose...) est continuellement bombardée de rayons cosmiques. Ceux-ci se composent de particules chargées électriquement, dont l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) peut atteindre 1020 électron-volts. C'est un million (Un million (1 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf...) de fois plus que l'énergie atteinte dans l'accélérateur de particules (Les accélérateurs de particules sont des instruments qui utilisent des champs...) le plus puissant du monde (Le mot monde peut désigner :), le Grand collisionneur (Un collisionneur est un type d'accélérateur de particules mettant en jeu des faisceaux...) de hadrons du CERN, à Genève. Ces particules extrêmement énergétiques proviennent de l'espace lointain. Elles ont ainsi parcouru des milliards d'années-lumière avant d'atteindre notre planète. D'où viennent-elles précisément et qu'est-ce qui les propulse dans l'Univers avec une telle force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...)? Cette question constitue depuis plus d'un siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui...) l'un des plus grands défis de l'astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche...).

On sait que les lieux de naissance des rayons cosmiques produisent des neutrinos, des particules neutres difficiles à détecter. Leur masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) est en effet presque nulle et ils interagissent à peine avec la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...). Ils "courent" dans l'Univers et peuvent traverser les galaxies, les planètes et le corps humain (Le corps humain est la structure physique d'une personne.) presque sans laisser de trace (TRACE est un télescope spatial de la NASA conçu pour étudier la connexion entre le...). "Les neutrinos astrophysiques sont produits exclusivement lors de processus impliquant l'accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique,...) des rayons cosmiques", explique Sara Buson, professeure d'astrophysique à la Julius-Maximilians-Universität (JMU) de Würzburg, en Allemagne. C'est précisément ce qui fait des neutrinos des messagers uniques, ouvrant la voie à la localisation des sources de rayons cosmiques.

Vers la fin d'un débat controversé ?

Malgré la grande quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) recueillies par les astrophysiciens sur le sujet, le lien qui unit les neutrinos de haute énergie aux sources astrophysiques qui les produisent reste en grande partie un mystère. C'est en 2017, dans un article paru dans la revue Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire...), que Sara Buson et ses collaborateurs/trices ont pour la première fois intégré l'idée qu'un blazar (TXS 0506+056) pouvait être une source supposée de neutrinos. Les blazars sont des noyaux galactiques actifs alimentés par des trous noirs supermassifs qui émettent beaucoup plus de rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) que toute leur galaxie (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec...). Cette publication a suscité un débat scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui...) sur l'existence d'un lien réel entre les blazars et les neutrinos de haute énergie.

Après cette première étape encourageante, le groupe de Sara Buson a lancé en juin 2021 un ambitieux projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a...) d'étude avec le soutien du Conseil européen de la recherche. Il consiste à analyser différents signaux (ou "messagers", comme les neutrinos par exemple) provenant de l'Univers. L'objectif principal est de faire la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) sur l'origine des neutrinos, en établissant éventuellement avec une grande certitude que les blazars sont la première source de neutrinos extragalactiques de haute énergie.

Le projet connaît aujourd'hui son premier succès: dans la revue Astrophysical Journal Letters, Sara Buson, avec son groupe composé de l'ex-postdoctorant Raniere de Menezes (JMU) et d'Andrea Tramacere, chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la...) au Département d'astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer...) de l'UNIGE, rapporte que les blazars peuvent être associés aux neutrinos astrophysiques avec un degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines...) de certitude sans précédent.

Révéler le rôle des blazars

Andrea Tramacere est l'un des experts de la modélisation numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information...) des processus d'accélération et des mécanismes de rayonnement agissant dans les jets relativistes – des écoulements de matière accélérée approchant la vitesse de la lumière (La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (pour...) – et en particulier dans les jets des blazars.

"Le processus d'accrétion (L'accrétion désigne en astrophysique, en géologie et en météorologie l'accroissement par...) et la rotation du trou noir (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense...) conduisent à la formation de jets relativistes, où les particules sont accélérées et émettent un rayonnement allant jusqu'à des énergies de mille milliards de fois celle de la lumière visible! La découverte de la connexion entre ces objets et les rayons cosmiques pourrait être la ''pierre de Rosette'' de l'astrophysique des hautes énergies!", explique le chercheur de l'UNIGE.

Pour parvenir à ces résultats, l'équipe de recherche a superposé les données de neutrinos obtenues par l'Observatoire de neutrinos IceCube en Antarctique (L'Antarctique (prononcé [ɑ̃.taʁk.tik] Écouter) est le continent le plus...) - le détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change...) de neutrinos le plus sensible actuellement en service - et le BZCAT, l'un des catalogues de blazars les plus précis. "Avec ces données, nous devions prouver que les blazars dont les positions directionnelles coïncidaient avec celles des neutrinos n'étaient pas là par hasard (Dans le langage ordinaire, le mot hasard est utilisé pour exprimer un manque efficient, sinon...)."

Pour ce faire, le chercheur de l'UNIGE a développé un logiciel (En informatique, un logiciel est un ensemble d'informations relatives à des traitements...) capable d'estimer à quel point (Graphie) les distributions de ces objets dans le ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.) se ressemblent. "Après avoir lancé les dés plusieurs fois, nous avons découvert que l'association aléatoire ne peut dépasser celle des données réelles qu'une fois sur un million d'essais! C'est la preuve solide de la justesse de nos associations".

Malgré ce succès, l'équipe de recherche estime que ce premier échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou...) d'objets n'est que la "pointe de l'iceberg". Ces travaux lui ont toutefois permis de recueillir "une nouvelle preuve observationnelle", c'est-à-dire l'ingrédient le plus important pour construire des modèles plus réalistes d'accélérateurs astrophysiques.

"Ce que nous devons faire maintenant, c'est comprendre quelle est la principale différence entre les objets qui émettent des neutrinos et ceux qui n'en émettent pas. Cela nous aidera à comprendre dans quelle mesure l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...) et l'accélérateur ''dialoguent''. Nous pourrons alors exclure certains modèles, améliorer le pouvoir de prédiction d'autres modèles et, enfin, d'ajouter de nouvelles pièces à l'éternel puzzle de l'accélération des rayons cosmiques!".

Publication:
Cette recherche est publiée dans strophysical Journal Letters - ArXiv: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac7d5b

Contact:
Andréa Tramacere - Adjoint scientifique - Département d'astronomie - Faculté des sciences - Andrea.Tramacere@unige.ch
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