Les neutrinos « fantomatiques » nous aident à voir notre Voie lactée comme jamais auparavant

En 1923, l'écrivain français Marcel Proust publie le cinquième tome de son épopée en sept volumes Souvenir des choses passées. Il y écrit un passage qui a été paraphrasé au fil du temps comme suit : « le véritable voyage de découverte consiste… non pas à chercher de nouveaux paysages, mais à avoir de nouveaux yeux ». C’est un message que les astronomes connaissent depuis longtemps, et il a été démontré une fois de plus dans l’annonce récente d’une nouvelle et unique photographie de la Voie lactée. Cette image ouvre une toute autre manière de comprendre notre environnement galactique.

Depuis des temps immémoriaux, les astronomes ont observé le ciel à l’aide du spectre électromagnétique, depuis l’œil nu de la préhistoire jusqu’à la première utilisation d’un télescope en 1610. Viennent ensuite les ondes radio en 1932 et les rayons gamma dans les années 1960. Mais le rayonnement électromagnétique (dont la forme particulaire est un photon) n’est pas le seul à pouvoir traverser l’espace interstellaire. Un autre messager est l’énigmatique neutrino, une particule émise lors de certains types de désintégration nucléaire.

Les chercheurs ont utilisé le détecteur IceCube pour rechercher des neutrinos très énergétiques provenant de l'espace lointain. IceCube est énorme : il est composé d'un kilomètre cube de glace situé au pôle Sud. Les neutrinos venus de l'espace traversent l'atmosphère et interagissent dans la glace. Ces interactions déposent beaucoup d’énergie, qui est convertie en un clignotement de lumière de très courte durée. En utilisant une variété de modèles de clignements, les chercheurs sont capables de déterminer la direction d’où venait le neutrino d’origine.

Cette mesure était très difficile. Les neutrinos sont émis par des réactions nucléaires et le plus gros réacteur nucléaire à proximité est le soleil. En effet, toutes les étoiles émettent des neutrinos, même si l’énergie des neutrinos émis par les étoiles a tendance à être bien inférieure à celle recherchée par le détecteur IceCube. Cependant, la vitesse à laquelle les neutrinos de basse énergie ont été détectés était beaucoup plus élevée que celle des neutrinos de haute énergie. L’extraction du signal à haute énergie a nécessité dix ans de données et de techniques avancées d’IA.

Le travail acharné a porté ses fruits, produisant un ensemble de données contenant environ 60 000 instances de neutrinos de haute énergie provenant de l'espace. Les neutrinos étant émis par des objets astronomiques, les chercheurs s’attendaient à ce que les sources les plus fréquentes de neutrinos de haute énergie se trouvent dans le plan de la Voie lactée, et c’est ce qu’ils ont découvert.

Le processus par lequel les neutrinos galactiques de haute énergie sont créés n’est pas encore complètement compris. On pense qu’ils ne proviennent pas directement des étoiles, des supernovae ou d’autres objets astronomiques. Les astronomes pensent plutôt que les rayons gamma en sont la source. Les rayons gamma sont une forme de rayonnement électromagnétique à très haute énergie, beaucoup plus puissante que les rayons X. Ils sont émis par des étoiles très chaudes et massives, ainsi que par les gaz extrêmement chauds entourant un trou noir.

Ces rayons gamma traversent l’espace et interagissent occasionnellement avec l’hydrogène gazeux flottant entre les étoiles. On pense que l’interaction entre les rayons gamma et les noyaux d’hydrogène produit le type de neutrinos de haute énergie observé par IceCube.

Les chercheurs ont testé cette hypothèse et ont constaté qu’elle semble être à peu près vraie. Les rayons gamma et les neutrinos de haute énergie les plus énergétiques semblent provenir des mêmes endroits dans l’espace. Cependant, les preuves ne sont pas définitives. Si les astronomes peuvent déterminer très précisément l’origine des rayons gamma, ils n’ont pas atteint la même précision pour les neutrinos. Lorsqu'un neutrino de haute énergie est détecté dans IceCube, la direction initiale de déplacement du neutrino ne peut être déterminée qu'avec une précision d'environ cinq degrés. Cela suffit pour établir seulement une corrélation approximative entre les sources d’émission de rayons gamma et celles de neutrinos.

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Lorsque les chercheurs utilisent le modèle bien connu d’émission de rayons gamma dans la Voie lactée pour prédire le taux attendu de production de neutrinos à haute énergie, ils constatent que plus de neutrinos sont détectés que prévu. Cette divergence a attiré l’attention des astronomes, qui tentent de comprendre d’où vient l’excès inattendu de neutrinos de haute énergie.