L'illustration d'un artiste d'un blazar comme celui qui s'est récemment révélé accélérer les neutrinos et les rayons cosmiques à des vitesses énormes. Le trou noir supermassif au centre du disque d'accrétion envoie un étroit jet de matière à haute énergie dans l'espace, perpendiculairement au disque.
(Image: © DESY, Laboratoire de communication scientifique)
Les astronomes ont tracé pour la première fois un neutrino de haute énergie jusqu'à sa source cosmique, résolvant ainsi un mystère centenaire.
Les neutrinos sont des particules subatomiques presque sans masse qui n'ont pas de charge électrique et interagissent donc rarement avec leur environnement. En effet, des milliers de milliards de ces "particules fantômes" traversent votre corps inaperçues et sans encombre à chaque seconde.
La plupart de ces neutrinos proviennent du soleil. Mais un petit pourcentage, qui se vante d'énergies extrêmement élevées, a explosé jusqu'à notre cou des bois depuis un espace très profond. Le caractère insaisissable inhérent aux neutrinos a empêché les astronomes de déterminer l'origine de ces vagabonds cosmiques - jusqu'à présent. [Retracer un neutrino à sa source: la découverte en images]
Les observations de l'Observatoire de neutrinos IceCube au pôle Sud et d'une foule d'autres instruments ont permis aux chercheurs de suivre un neutrino cosmique jusqu'à un blazar éloigné, une immense galaxie elliptique avec un trou noir supermassif à rotation rapide en son cœur.
Et il y a plus. Les neutrinos cosmiques vont de pair avec les rayons cosmiques, des particules chargées très énergétiques qui pénètrent en permanence sur notre planète. Ainsi, la nouvelle découverte place les blazars comme accélérateurs d'au moins certains des rayons cosmiques les plus rapides.
Les astronomes se posent des questions à ce sujet depuis la découverte des rayons cosmiques, en 1912. Mais ils ont été contrecarrés par la nature chargée des particules, qui dicte que les rayons cosmiques sont tirés de cette façon et que par divers objets lorsqu'ils zooment dans l'espace. Le succès est finalement venu de l'utilisation du voyage en ligne droite d'une particule fantôme de compagnon de voyage.
"Nous recherchons les sources de rayons cosmiques depuis plus d'un siècle, et nous en avons finalement trouvé une", a déclaré à Space Francis Francis, chercheur principal à l'Observatoire IceCube Neutrino et professeur de physique à l'Université du Wisconsin-Madison. com. [Physique farfelue: les petites particules les plus cool de la nature]
Un effort d'équipe
IceCube, qui est géré par la National Science Foundation (NSF) des États-Unis, est un chasseur de neutrinos dévoué. L'installation se compose de 86 câbles, qui se nichent dans des forages qui s'étendent sur environ 1,5 mile (2,5 kilomètres) dans la glace antarctique. Chaque câble, à son tour, contient 60 «modules optiques numériques» de la taille d'un ballon de basket, qui sont équipés de détecteurs de lumière sensibles.
Ces détecteurs sont conçus pour capter la lumière bleue caractéristique émise après l'interaction d'un neutrino avec un noyau atomique. (Cette lumière est rejetée par une particule secondaire créée par l'interaction. Et au cas où vous vous demanderiez: tout ce qui recouvre la glace empêche les particules autres que les neutrinos d'atteindre les détecteurs et de salir les données.) Ce sont des événements rares; IceCube ne repère que quelques centaines de neutrinos par an, a déclaré Halzen.
L'installation a déjà apporté de grandes contributions à l'astronomie. En 2013, par exemple, IceCube a effectué la toute première détection confirmée de neutrinos au-delà de la galaxie de la Voie lactée. Les chercheurs n'étaient pas en mesure de déterminer la source de ces particules fantômes de haute énergie à l'époque.
Le 22 septembre 2017, IceCube a cependant récupéré un autre neutrino cosmique. Il était extrêmement énergique, emballant environ 300 téraélectrons volts - près de 50 fois plus que l'énergie des protons passant à travers l'accélérateur de particules le plus puissant de la Terre, le Grand collisionneur de hadrons.
Dans la minute qui a suivi la détection, l'installation a envoyé une notification automatique, alertant les autres astronomes de la découverte et relayant les coordonnées du ciel qui semblait abriter la source de la particule.
La communauté a répondu: Près de 20 télescopes au sol et dans l'espace ont parcouru ce patch à travers le spectre électromagnétique, des ondes radio à faible énergie aux rayons gamma à haute énergie. Les observations combinées ont retracé l'origine du neutrino à un blazar déjà connu appelé TXS 0506 + 056, qui se trouve à environ 4 milliards d'années-lumière de la Terre.
Par exemple, des observations de suivi de plusieurs instruments différents - y compris le télescope spatial à rayons gamma Fermi en orbite autour de la Terre de la NASA et le télescope Cherenkov d'imagerie gamma atmosphérique majeur (MAGIC) dans les îles Canaries - ont révélé une puissante explosion de lumière gamma rayonnant à partir de TXS 0506 + 056. [Univers gamma-ray: Photos du télescope spatial Fermi de la NASA]
L'équipe IceCube a également examiné ses données d'archives et trouvé plus d'une douzaine d'autres neutrinos cosmiques qui semblaient provenir du même blazar. Ces particules supplémentaires ont été captées par les détecteurs de fin 2014 à début 2015.
"Toutes les pièces s'emboîtent", a déclaré dans un communiqué Albrecht Karle, scientifique senior IceCube et professeur de physique à UW-Madison. "La fusée de neutrinos dans nos données d'archives est devenue une confirmation indépendante. Avec les observations des autres observatoires, il est une preuve convaincante que ce blazar est une source de neutrinos extrêmement énergétiques, et donc de rayons cosmiques de haute énergie."
Les résultats sont rapportés dans deux nouvelles études publiées en ligne aujourd'hui (12 juillet) dans la revue Science. Vous pouvez les trouver ici et ici.
L'astrophysique multimessenger en plein essor
Les blazars sont un type spécial de galaxie active superlumineuse qui projette des jets jumeaux de lumière et de particules, dont l'un vise directement la Terre. (C'est en partie pourquoi les blazars nous semblent si brillants - parce que nous sommes dans la ligne de tir.)
Les astronomes ont identifié plusieurs milliers de blazars à travers l'univers, dont aucun n'a encore été détecté comme nous lançant des neutrinos comme le TXS 0506 + 056.
"Il y a quelque chose de spécial dans cette source, et nous devons comprendre de quoi il s'agit", a déclaré Halzen à Space.com.
Ce n'est là qu'une des nombreuses questions soulevées par les nouveaux résultats. Par exemple, Halzen aimerait également connaître le mécanisme d'accélération: comment, exactement, les blazars font-ils monter les neutrinos et les rayons cosmiques à des vitesses aussi énormes?
Halzen a exprimé son optimisme quant à la réponse à ces questions dans un avenir relativement proche, citant la puissance de l '"astrophysique multimessager" - l'utilisation d'au moins deux types de signaux différents pour interroger le cosmos - exposée dans les deux nouvelles études.
La découverte des neutrinos suit de près les traces d'un autre point de repère multimessager: en octobre 2017, les chercheurs ont annoncé qu'ils avaient analysé une collision entre deux étoiles à neutrons superdenses en observant à la fois le rayonnement électromagnétique et les ondes gravitationnelles émises lors de l'événement dramatique.
"L'ère de l'astrophysique multimessager est arrivée", a déclaré la directrice de la NSF, France Cordova, dans le même communiqué. "Chaque messager - du rayonnement électromagnétique, des ondes gravitationnelles et maintenant des neutrinos - nous donne une compréhension plus complète de l'univers et de nouvelles perspectives importantes sur les objets et événements les plus puissants du ciel."
