Des neutrinos à ultra-haute énergie émis par des galaxies brillantes à l'autre bout de l'univers sont d'abord découverts

Représentation artistique de la façon dont le blazar accélère les protons qui génèrent des pions, qui à leur tour génèrent des neutrinos et des rayons gamma. Les neutrinos sont toujours le résultat de réactions hadroniques. Les rayons gamma peuvent apparaître dans les interactions hadroniques et électromagnétiques.

L'un des plus grands mystères de la science est la définition non seulement des objets qui existent dans l'Univers, mais aussi des sources de signaux que nous fixons ici sur Terre. Depuis plus de cent ans, nous savons que les rayons cosmiques labourent l'Univers: des particules de haute énergie dont les sources sont bien au-delà des frontières de notre Galaxie. Et bien que certaines des sources de ces particules aient déjà été identifiées, la plupart d'entre elles, y compris celles qui sont les plus énergétiques, restent un mystère.

Et donc, cette situation a changé. La collaboration IceCube du 22 septembre 2017 a découvert des neutrinos à ultra-haute énergie arrivant au pôle Sud et a pu déterminer leur source. Lorsque plusieurs télescopes fonctionnant dans la gamme gamma visaient le même point, ils ont non seulement vu le signal, mais ont également reconnu le blazar qui clignotait juste à ce moment . Enfin, l'humanité a découvert au moins une source qui crée ces particules cosmiques ultra-énergétiques.


Lorsque les trous noirs dévorent de la matière, ils créent un disque d'accrétion et des jets émanant des deux pôles, perpendiculairement à celui-ci. Lorsqu'un flux d'un trou noir supermassif pointe vers nous, nous l'appelons un blazar, et dans un cas particulier, c'était un objet du BL Lizard. Maintenant, ils sont considérés comme la principale source de rayons cosmiques et de neutrinos de haute énergie.

L'univers, où que nous regardions, est rempli de choses qui peuvent être observées et avec lesquelles vous pouvez interagir. La matière s'effrite, formant des galaxies, des étoiles, des planètes et même des personnes. Le rayonnement circule à travers l'univers, couvrant tout le spectre électromagnétique. Et dans chaque centimètre cube d'espace, vous pouvez trouver des centaines de particules fantomatiques avec une petite masse, connue sous le nom de neutrinos.

À tout le moins, ils pourraient être trouvés s'ils interagissaient assez souvent avec la matière normale, avec laquelle nous savons comment traiter. Mais au lieu de cela, les neutrinos peuvent passer à travers une paroi de plomb d'une année-lumière et avoir une chance d'entrer en collision avec n'importe quelle particule égale à 50/50. Quelques décennies après la supposition de leur existence en 1930, nous n'avons pu les retrouver.


Réacteur nucléaire expérimental RA-6 , montrant le rayonnement Cherenkov caractéristique provoqué par des particules se déplaçant plus rapidement que la lumière dans l'eau. Des neutrinos (ou, plus précisément, des antineutrinos), dont l'hypothèse de l'existence a été avancée par Pauli en 1930, ont été découverts dans un réacteur nucléaire similaire en 1956.

En 1956, nous les avons découverts pour la première fois en plaçant des détecteurs à côté des réacteurs nucléaires, à quelques mètres de leur apparition. Dans les années 1960, nous avons construit des détecteurs suffisamment grands - souterrains, protégés des autres particules polluantes - pour détecter les neutrinos apparaissant dans le Soleil et ceux générés par la collision des rayons cosmiques avec l'atmosphère.

Puis en 1987, seule une agréable surprise sous la forme d'une explosion de supernova près de nous nous a permis de détecter des neutrinos volant à partir de là. Des expériences qui ont fonctionné dans un but complètement différent , ont découvert des neutrinos de SN 1987A et ont inauguré l'ère de l'astronomie de plusieurs messagers. Autant que nous puissions en juger, les neutrinos ont volé à travers l'Univers avec des énergies impossibles à distinguer de la vitesse de la lumière.


Vestiges d'une supernova de 1987a située dans le Grand Nuage de Magellan à 165 000 années-lumière de nous. Le fait que le neutrino soit arrivé quelques heures avant le premier signal nous en disait plus sur le temps nécessaire à la lumière pour se propager à travers les couches de l'étoile que sur la vitesse de déplacement du neutrino, qui ne se distinguait pas de la vitesse de la lumière. Apparemment, les neutrinos, la lumière et la gravité se déplacent à la même vitesse.

Pendant environ 30 ans, les neutrinos de cette supernova ont été les seuls neutrinos confirmés à provenir de l'extérieur du système solaire, sans parler des limites de la galaxie. Mais cela ne signifie pas que nous n'acceptions pas les neutrinos provenant de sources plus éloignées; cela signifiait simplement que nous ne pouvions les comparer de manière fiable à aucune source connue dans le ciel. Bien que les neutrinos réagissent très faiblement avec la matière, la probabilité d'une réaction augmente avec l'augmentation de l'énergie.

Et ici l'Observatoire IceCube entre en scène.


L'Observatoire IceCube, le premier observatoire de neutrinos du genre, a été conçu pour observer ces particules de haute énergie insaisissables sous la glace de l'Antarctique.

Sous les glaces du pôle Sud, à l'intérieur du IceCube se trouve un kilomètre cube de matière solide qui aide à trouver ces neutrinos presque sans masse. Lorsque les neutrinos traversent la Terre, il y a toujours une chance qu'ils réagissent avec la particule qui s'y trouve. L'interaction entraînera l'apparition d'une pluie de particules, qui devrait laisser des traces non ambiguës sur les détecteurs.


Illustration de la réaction d'un neutrino avec une molécule de glace en émettant une particule secondaire - un muon - se déplaçant dans la glace à une vitesse relativiste et laissant une traînée de lumière bleue

Au cours des six années de fonctionnement d'IceCube, les détecteurs ont détecté plus de 80 neutrinos spatiaux à haute énergie avec des énergies de plus de 100 TeV: ce qui est plus de 10 fois plus élevé que les valeurs énergétiques les plus élevées obtenues par les particules du Grand collisionneur de hadrons. Certains d'entre eux se sont même rapprochés de l'échelle du PeV, atteignant des énergies mille fois supérieures à celles nécessaires pour créer même la plus lourde des particules fondamentales connues aujourd'hui.



Malgré tous ces neutrinos de l'espace qui sont arrivés sur Terre, jusqu'à présent, nous ne pouvions pas les comparer avec une source dans le ciel, dont nous saurions avec certitude l'emplacement. La découverte de ces neutrinos est une réalisation étonnante, mais nous ne pouvons pas comprendre quel processus les génère, à moins que nous ne soyons capables de les comparer dans un objet réel et observable de l'Univers - par exemple, que nous pouvons également observer dans le rayonnement électromagnétique.


Lorsqu'un neutrino interagit avec des particules de glace antarctique pure, il génère des particules secondaires qui laissent une traînée de lumière bleue lorsqu'il traverse le IceCube

Les théoriciens n'ont eu aucun problème à trouver des idées, par exemple:

• hypernovae , l'espèce la plus brillante de supernovae,
• rayons gamma clignote
• fusées éclairantes noires
• quasars, le plus grand des trous noirs actifs de l'univers.

Mais pour résoudre ce problème, des preuves étaient nécessaires.


Un exemple de neutrino de haute énergie détecté sur un IceCube: un neutrino de 4,45 PeV est entré en collision avec un détecteur en 2014.

IceCube a suivi et publié des rapports après chaque neutrino à ultra-haute énergie qu'ils ont découvert. Le 22 septembre 2017, un autre phénomène de ce type a été observé: IceCube-170922A. Dans le rapport, les scientifiques ont annoncé ce qui suit:

Le 22 septembre 2017, IceCube a détecté un événement de très haute énergie avec une forte probabilité d'avoir une source astrophysique. Cet événement a été détecté par Extremely High Energy (EHE). IceCube était en mode de fonctionnement normal. Les événements EHE sont généralement associés à un pic d'interaction situé à l'extérieur du détecteur, dans lequel un muon est généré qui traverse le volume du détecteur avec un niveau élevé [d'énergie].


Les rayons cosmiques provoquent des averses atmosphériques de particules, entrant en collision avec des protons et des atomes de l'atmosphère, et émettent de la lumière en raison du rayonnement Cherenkov. En observant les rayons cosmiques dans le ciel et les neutrinos atteignant la Terre, nous utilisons des coïncidences pour révéler les sources des deux phénomènes.

Cette entreprise est intéressante non seulement pour les particules de neutrinos, mais aussi pour les rayons cosmiques en général. Malgré le fait que nous ayons observé des millions de rayons cosmiques de haute énergie au cours des cent dernières années, nous ne connaissons pas les sources de la plupart d'entre eux. Et cela est vrai pour les protons, les noyaux et les neutrinos, tous deux créés dans leur source et ceux résultant des averses atmosphériques.

C'est pourquoi il était si intéressant que, en plus d'avertir du phénomène, IceCube a également émis les coordonnées célestes d' où ces neutrinos étaient censés provenir:

• RA: 77,43 degrés (-0,80 degrés / + 1,30 degrés 90% confinement PSF) J2000
• Déc: 5,72 degrés (-0,40 degrés / + 0,70 degré 90% confinement PSF) J2000

Et ils ont conduit des observateurs à essayer de faire des observations ultérieures dans le spectre électromagnétique de cet objet.


Image artistique du noyau actif de la galaxie. Un trou noir supermassif au centre du disque d'accrétion envoie des jets étroits de matière à haute énergie dans l'espace perpendiculaire au disque. Blazar, à 4 milliards d'années-lumière de nous, est devenu la source de ces rayons cosmiques et neutrinos.

Il s'est avéré être un blazar: un trou noir supermassif dans un état actif, se nourrissant de matière et l'accélérant à des vitesses incroyables. Les blazars sont les mêmes quasars, mais avec une différence importante. Les quasars peuvent être orientés dans n'importe quelle direction, et au blazar l'un des jets est toujours dirigé directement vers la Terre. Ils sont appelés blazers du mot blaze, qui signifie "briller, brûler avec éclat" - ils brillent directement dans notre direction.

Ce blazar particulier est connu sous le nom de TXS 0506 + 056 , et de nombreux observatoires, dont l'Observatoire Fermi de la NASA et le Télescope au sol MAGIC dans les îles Canaries, ont immédiatement détecté des rayons gamma qui en émanaient.


Une vingtaine d'observatoires sur Terre et dans l'espace ont effectué des observations à la suite de traces de détection de neutrinos en utilisant l'emplacement fourni par le détecteur IceCube en septembre dernier. Cela a permis de déterminer ce que les scientifiques considèrent comme la source des neutrinos de haute énergie, et donc des rayons cosmiques. En plus des neutrinos, des observations faites sur l'ensemble du spectre électromagnétique ont été effectuées dans les gammes gamma, rayons X, optiques et radio.

De plus, à l'arrivée du neutrino, il s'est avéré que le blazar est dans un état rayonnant correspondant à l'émission de particules la plus active pour de tels objets. Étant donné que l'éjection de particules a ses hauts et ses bas, les chercheurs d'IceCube ont passé au peigne fin les enregistrements de dix années d'observations précédant le déclenchement du 22 septembre 2017, à la recherche de tout événement lié aux neutrinos qui pourrait provenir du TXS 0506 + 056 .

Ils ont immédiatement découvert que les neutrinos provenaient de cet objet en plusieurs flashs, qui s'étiraient pendant de nombreuses années. En combinant l'observation des neutrinos avec des observations dans le domaine électromagnétique, nous avons pu conclure de manière fiable que les neutrinos de haute énergie nous parviennent des blazars et que nous avons la capacité de les détecter même à de si grandes distances. TXS 0506 + 056 est à 4 milliards d'années-lumière de nous.


Blazar TXS 0506 + 056 est la première source confirmée de neutrinos de haute énergie et de rayons cosmiques. L'image montre l'emplacement du blazar situé dans le ciel à l'épaule gauche de la constellation d'Orion.

Une énorme quantité d'informations peut être dérivée d'une seule observation d'un événement avec plusieurs "messagers":

• Il a été démontré que les blazars sont au moins l'une des sources de rayons cosmiques.
• Pour l'apparition des neutrinos, des pivoines en décomposition sont nécessaires, qui apparaissent en raison des protons se déplaçant rapidement.
• La première preuve convaincante de l'accélération des protons par les trous noirs.
• TXS 0506 + 056 est l'une des sources les plus brillantes de l'Univers.
• Les rayons gamma qui l'accompagnent suggèrent que les neutrinos cosmiques et les rayons cosmiques, au moins de temps en temps, peuvent avoir une source commune.

Les rayons cosmiques émis par des sources astrophysiques de hautes énergies peuvent atteindre la surface de la Terre. Lorsqu'un rayon cosmique entre en collision avec une particule de l'atmosphère terrestre, il génère une pluie de particules, que nous pouvons détecter à l'aide de réseaux de capteurs au sol. Enfin, nous avons révélé leur principale source.

Selon Francis Halzen, responsable de la recherche à l'observatoire des neutrinos IceCube:

Fait intéressant, l'opinion était répandue dans la communauté astrophysique selon laquelle les blazars peuvent difficilement être considérés comme des sources de rayons cosmiques - et le voici ... La capacité de construire des télescopes dans le monde entier et de faire des découvertes à de nombreuses longueurs d'onde avec un détecteur de neutrinos comme IceCube marque une nouvelle étape dans ce que les scientifiques appellent «l'astronomie multi-messager».

L'ère de l'astronomie de plusieurs messagers est officiellement arrivée, et nous avons maintenant trois façons complètement indépendantes et complémentaires de regarder le ciel: en utilisant la lumière, les neutrinos et les ondes gravitationnelles. Nous avons appris que les blazars, autrefois considérés comme des candidats peu probables pour générer des neutrinos de haute énergie et des rayons cosmiques, génèrent en fait les deux.


L'idée de l'artiste du quasar à distance 3C 279. Les jets émanant des deux pôles sont un phénomène courant, mais il est très rare qu'un tel jet pointe directement vers nous. Lorsque cela se produit, nous obtenons un blazar - comme cela est maintenant confirmé, une source de rayons cosmiques et de neutrinos de haute énergie que nous observons depuis de nombreuses années.

Parallèlement à cette découverte, un nouveau domaine scientifique est officiellement lancé, l'astronomie des neutrinos de haute énergie. Les neutrinos ne sont plus un sous-produit d'autres interactions ou une merveille spatiale qui s'étend à peine au-delà du système solaire. Nous pouvons maintenant les utiliser comme sonde fondamentale de l'Univers et des lois de la physique elles-mêmes. L'un des principaux objectifs de la construction IceCube était d'identifier les sources de neutrinos spatiaux à haute énergie. Avec la confirmation du blazar TXS 0506 + 056 comme source à la fois de ces neutrinos et de rayons cosmiques, un rêve cosmique parmi tant d'autres a finalement été réalisé.