Une nouvelle carte de l'univers, peinte avec des neutrinos cosmiques | Quanta Magazine

Sur les 100 XNUMX milliards de neutrinos qui vous traversent chaque seconde, la plupart proviennent du soleil ou de l'atmosphère terrestre. Mais une poignée de particules – celles qui se déplacent beaucoup plus vite que les autres – ont voyagé ici à partir de sources puissantes plus éloignées. Pendant des décennies, les astrophysiciens ont cherché l'origine de ces neutrinos « cosmiques ». Maintenant, l'observatoire IceCube Neutrino en a finalement collecté suffisamment pour révéler des schémas révélateurs de leur provenance.

Dans un article publié aujourd'hui dans Sciences, l'équipe a révélé la première carte de la Voie lactée en neutrinos. (Habituellement, notre galaxie est cartographiée avec des photons, des particules de lumière.) La nouvelle carte montre une brume diffuse de neutrinos cosmiques émanant de toute la Voie lactée, mais étrangement, aucune source individuelle ne se démarque. "C'est un mystère", a déclaré François Halzen, qui dirige IceCube.

Les résultats suivent une Étude IceCube de l'automne dernier, aussi dans Sciences, qui a été le premier à connecter des neutrinos cosmiques à une source individuelle. Il a montré qu'une grande partie des neutrinos cosmiques détectés jusqu'à présent par l'observatoire provenaient du cœur d'une galaxie "active" appelée NGC 1068. Dans le noyau incandescent de la galaxie, la matière tourne en spirale dans un trou noir supermassif central, produisant en quelque sorte des neutrinos cosmiques. Dans le processus.

"C'est vraiment gratifiant", a déclaré Kate Scholberg, un physicien des neutrinos de l'Université Duke qui n'a pas participé à la recherche. « Ils ont en fait identifié une galaxie. C'est le genre de chose que toute la communauté de l'astronomie des neutrinos essaie de faire depuis toujours.

La localisation des sources de neutrinos cosmiques ouvre la possibilité d'utiliser les particules comme une nouvelle sonde de la physique fondamentale. Les chercheurs ont montré que les neutrinos peuvent être utilisés pour ouvrir des fissures dans le modèle standard régnant de la physique des particules et même tester les descriptions quantiques de la gravité.

Pourtant, identifier l'origine d'au moins certains neutrinos cosmiques n'est qu'une première étape. On sait peu de choses sur la façon dont l'activité autour de certains trous noirs supermassifs génère ces particules, et jusqu'à présent, les preuves indiquent de multiples processus ou circonstances.

Origine longtemps recherchée

Aussi abondants soient-ils, les neutrinos traversent généralement la Terre sans laisser de trace ; un détecteur magnifiquement énorme a dû être construit pour en détecter suffisamment pour percevoir les motifs dans les directions d'où ils arrivent. IceCube, construit il y a 12 ans, se compose de chaînes de détecteurs d'un kilomètre de long creusées profondément dans la glace antarctique. Chaque année, IceCube détecte une dizaine de neutrinos cosmiques d'une énergie si élevée qu'ils se détachent nettement d'un brouillard de neutrinos atmosphériques et solaires. Des analyses plus sophistiquées peuvent démêler des neutrinos cosmiques candidats supplémentaires du reste des données.

Les astrophysiciens savent que de tels neutrinos énergétiques ne peuvent survenir que lorsque des noyaux atomiques en mouvement rapide, appelés rayons cosmiques, entrent en collision avec de la matière quelque part dans l'espace. Et très peu d'endroits dans l'univers ont des champs magnétiques assez forts pour fouetter les rayons cosmiques jusqu'à des énergies suffisantes. Les sursauts gamma, des éclairs de lumière ultra-brillants qui se produisent lorsque certaines étoiles deviennent supernova ou lorsque des étoiles à neutrons se chevauchent, ont longtemps été considérés comme l'une des options les plus plausibles. La seule véritable alternative était les noyaux galactiques actifs, ou AGN - des galaxies dont les trous noirs supermassifs centraux crachent des particules et des radiations à mesure que la matière tombe.

La théorie des sursauts gamma a perdu du terrain en 2012, lorsque les astrophysiciens ont réalisé que si ces sursauts lumineux étaient responsables, nous nous attendrions à voir beaucoup plus de neutrinos cosmiques que nous. Pourtant, le différend était loin d'être réglé.

Puis, en 2016, IceCube a commencé à envoyer des alertes chaque fois qu'ils détectaient un neutrino cosmique, incitant d'autres astronomes à entraîner les télescopes dans la direction d'où il venait. Le mois de septembre suivant, ils ont tenté a associé un neutrino cosmique à une galaxie active appelée TXS 0506+056, ou TXS en abrégé, qui émettait des éruptions de rayons X et de rayons gamma en même temps. "Cela a certainement suscité beaucoup d'intérêt", a déclaré Marcos Santander, un collaborateur d'IceCube à l'Université de l'Alabama.

De plus en plus de neutrinos cosmiques ont été collectés et un autre morceau de ciel a commencé à se détacher sur le fond des neutrinos atmosphériques. Au milieu de ce patch se trouve la galaxie active voisine NGC 1068. L'analyse récente d'IceCube montre que cette corrélation est presque certainement égale à la causalité. Dans le cadre de l'analyse, les scientifiques d'IceCube ont recalibré leur télescope et ont utilisé l'intelligence artificielle pour mieux comprendre sa sensibilité aux différentes zones du ciel. Ils ont découvert qu'il y avait moins de 1 chance sur 100,000 1068 que l'abondance de neutrinos provenant de la direction de NGC XNUMX soit une fluctuation aléatoire.

La certitude statistique que TXS est une source de neutrinos cosmiques n'est pas loin derrière, et en septembre, IceCube a enregistré un neutrino provenant probablement du voisinage de TXS qui n'a pas encore été analysé.

« Nous étions partiellement aveugles ; c'est comme si nous avions mis l'accent sur », a déclaré Halzen. « La course était entre les sursauts gamma et les galaxies actives. Cette course a été décidée.

Le mécanisme physique

Ces deux AGN semblent être les sources de neutrinos les plus brillantes du ciel, mais, curieusement, elles sont très différentes. TXS est un type d'AGN connu sous le nom de blazar : il tire un jet de rayonnement à haute énergie directement vers la Terre. Pourtant, nous ne voyons aucun jet de ce type se diriger vers NGC 1068. Cela suggère que différents mécanismes au cœur des galaxies actives pourraient donner naissance à des neutrinos cosmiques. "Les sources semblent être plus diverses", a déclaré Julia Tjus, astrophysicien théoricien à l'Université de la Ruhr à Bochum en Allemagne et membre d'IceCube.

Halzen soupçonne qu'il y a un matériau entourant le noyau actif de NGC 1068 qui bloque l'émission de rayons gamma lors de la production de neutrinos. Mais le mécanisme précis est à deviner. "Nous savons très peu de choses sur les noyaux des galaxies actives car ils sont trop compliqués", a-t-il déclaré.

Les neutrinos cosmiques provenant de la Voie Lactée brouillent davantage les choses. Il n'y a pas de sources évidentes de telles particules de haute énergie dans notre galaxie - en particulier, pas de noyau galactique actif. Le noyau de notre galaxie n'a pas bougé depuis des millions d'années.

Halzen spécule que ces neutrinos proviennent de rayons cosmiques produits dans une phase active antérieure de notre galaxie. "Nous oublions toujours que nous regardons à un moment donné", a-t-il déclaré. "Les accélérateurs qui ont créé ces rayons cosmiques les ont peut-être créés il y a des millions d'années."

Ce qui ressort de la nouvelle image du ciel, c'est la luminosité intense de sources comme NGC 1068 et TXS. La Voie lactée, remplie d'étoiles proches et de gaz chauds, éclipse toutes les autres galaxies lorsque les astronomes regardent avec des photons. Mais lorsqu'elle est observée dans les neutrinos, "ce qui est étonnant, c'est que nous pouvons à peine voir notre galaxie", a déclaré Halzen. "Le ciel est dominé par des sources extragalactiques."

Laissant de côté le mystère de la Voie lactée, les astrophysiciens veulent utiliser les sources les plus lointaines et les plus brillantes pour étudier la matière noire, la gravité quantique et les nouvelles théories du comportement des neutrinos.

Sonder la physique fondamentale

Les neutrinos offrent de rares indices qu'une théorie plus complète des particules doit remplacer l'ensemble d'équations vieux de 50 ans connu sous le nom de modèle standard. Ce modèle décrit les particules élémentaires et les forces avec une précision presque parfaite, mais il se trompe en ce qui concerne les neutrinos : il prédit que les particules neutres sont sans masse, mais elles ne le sont pas — pas tout à fait.

Les physiciens ont découvert en 1998 que les neutrinos peuvent changer de forme entre leurs trois types différents ; un neutrino électronique émis par le soleil peut se transformer en un neutrino muonique au moment où il atteint la Terre, par exemple. Et pour changer de forme, les neutrinos doivent avoir une masse - les oscillations n'ont de sens que si chaque espèce de neutrinos est un mélange quantique de trois masses différentes (toutes très petites).

Des dizaines d'expériences ont permis aux physiciens des particules de construire progressivement une image des schémas d'oscillation de divers neutrinos - solaires, atmosphériques, fabriqués en laboratoire. Mais les neutrinos cosmiques provenant des AGN offrent un aperçu du comportement oscillatoire des particules sur des distances et des énergies beaucoup plus grandes. Cela en fait «une sonde très sensible à la physique qui va au-delà du modèle standard», a déclaré Carlos Argüelles-Mince, un physicien des neutrinos de l'Université de Harvard qui fait également partie de la vaste collaboration IceCube.

Les sources de neutrinos cosmiques sont si éloignées que les oscillations des neutrinos devraient s'estomper - où que les astrophysiciens regardent, ils s'attendent à voir une fraction constante de chacun des trois types de neutrinos. Toute fluctuation de ces fractions indiquerait que les modèles d'oscillation des neutrinos doivent être repensés.

Une autre possibilité est que les neutrinos cosmiques interagissent avec la matière noire lors de leur voyage, comme le prédisent de nombreux modèles du secteur sombre. Ces modèles proposent que la matière invisible de l'univers se compose de plusieurs types de particules non lumineuses. Les interactions avec ces particules de matière noire diffuseraient des neutrinos avec des énergies spécifiques et créer un écart dans le spectre des neutrinos cosmiques que nous voyons.

Ou la structure quantique de l'espace-temps elle-même peut entraîner les neutrinos, les ralentissant. Un groupe basé en Italie depuis peu soutenu dans Nature Astronomie que les données IceCube montrent des indices de ce qui se passe, mais d'autres physiciens ont été sceptiques de ces revendications.

De tels effets seraient infimes, mais les distances intergalactiques pourraient les amplifier à des niveaux détectables. "C'est certainement quelque chose qui vaut la peine d'être exploré", a déclaré Scholberg.

Déjà, Argüelles-Delgado et ses collaborateurs ont utilisé le fond diffus des neutrinos cosmiques - plutôt que des sources spécifiques comme NGC 1068 - pour rechercher des preuves de la structure quantique de l'espace-temps. Comme ils rapporté dans Physique de la nature en octobre, ils n'ont rien trouvé, mais leur recherche a été entravée par la difficulté de distinguer la troisième variété de neutrino — tau — d'un neutrino électronique dans le détecteur IceCube. Ce qu'il faut, c'est "une meilleure identification des particules", a déclaré le co-auteur Teppei Katori du King's College de Londres. Des recherches sont en cours pour démêler les deux types.

Katori dit que connaître les emplacements et les mécanismes spécifiques des sources de neutrinos cosmiques offrirait un "grand saut" dans la sensibilité de ces recherches pour une nouvelle physique. La fraction exacte de chaque type de neutrinos dépend du modèle source, et les modèles les plus populaires, par hasard, prédisent qu'un nombre égal des trois espèces de neutrinos arrivera sur Terre. Mais les neutrinos cosmiques sont encore si mal compris que tout déséquilibre observé dans les fractions des trois types pourrait être mal interprété. Le résultat pourrait être une conséquence de la gravité quantique, de la matière noire ou d'un modèle d'oscillation de neutrinos cassé – ou simplement de la physique encore floue de la production de neutrinos cosmiques. (Cependant, certains ratios seraient une signature « irréfutable » de la nouvelle physique, a déclaré Argüelles-Delgado.)

En fin de compte, nous devons détecter beaucoup plus de neutrinos cosmiques, a déclaré Katori. Et il semble que nous le ferons. IceCube est mis à niveau et étendu à 10 kilomètres cubes au cours des prochaines années, et en octobre, un détecteur de neutrinos sous le lac Baïkal en Sibérie posté sa première observation des neutrinos cosmiques de TXS.

Et au fond de la Méditerranée, des dizaines de chaînes de détecteurs de neutrinos appelés collectivement KM3NeT sont fixés sur le fond marin par un robot submersible pour offrir une vue complémentaire du ciel cosmique-neutrino. « Les pressions sont énormes ; la mer est très impitoyable », a déclaré Paschal Coyle, directeur de recherche au Centre de physique des particules de Marseille et porte-parole de l'expérience. Mais "nous avons besoin de plus de télescopes scrutant le ciel et de plus d'observations partagées, ce qui arrive maintenant".