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Amanda, les neutrinos et le mystère des sursauts gamma

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L'astronomie neutrino est une des dernières branches de l'astronomie et peut nous éclairer sur la physique des très hautes énergies à l'œuvre dans des objets aussi mystérieux que les sursauts gamma. Le bilan de six années d'observations du télescope à neutrinos Amanda vient d'être publié. Apparemment pauvre, il renseigne pourtant utilement les astrophysiciens.

Schéma de IceCube. En bleu, le détecteur Amanda. Crédit : Collaboration Amanda.collaboration Amanda

Comme le montre le schéma de la figure 1, les neutrinos produits dans le cosmos possèdent une très large gamme d'énergies et certains dépassent les 1012 eV, c'est-à-dire 1 TeV (téra-électron-volt), l'ordre de grandeur des futurs faisceaux de protons du LHC. Il en existe même dont l'énergie est supérieure de 10 ordres de grandeur (donc 1010 fois plus...). Grâce à ces astroparticules, un domaine de la physique totalement inaccessible en accélérateurs peut tout de même être étudié au moyen de détecteurs terrestres conçus pour observer et mesurer les rayons cosmiques tombant sur Terre.


Figure 1. Les neutrinos cosmiques possèdent une très large gamme d'énergie comme on peut le voir en rose sur ce diagramme avec échelle logarithmique. Cliquez pour agrandir. Crédit : Collaboration Amanda

Il faut savoir cependant qu'il y a davantage de neutrinos dans l'Univers que de photons. Il existe en effet un rayonnement fossile composé de neutrinos qui remonte au Big bang. Le Soleil produit lui aussi des neutrinos, sans oublier les sources que sont la radioactivité de certains éléments dans les roches terrestres ainsi que les produits de réactions entre particules des rayons cosmiques entrant en collision avec les noyaux de l'atmosphère terrestre.

Comme les neutrinos sont très pénétrants du fait de leur faible interaction avec la matière, la stratégie pour les observer et de constituer un vaste réseau de détecteurs, plongés dans de l'eau de mer ou de la glace à grande profondeur, et tourné en direction du sol. De cette façon, une large part du bruit de fond composé de neutrinos ne provenant pas de sources très énergétiques est naturellement filtrée par l'eau et surtout la taille de la Terre.

C'est ainsi que durant les années 1990, le télescope à neutrinos Amanda, l'acronyme de Antarctic Muon And Neutrino Detector Array, a été enfoui dans les glaces de l'Antarctique avec des centaines de détecteurs de rayonnement Cerenkov en forme de sphères, pointés en direction de l'hémisphère nord.

Ce télescope est actuellement en cours d'extension et il occupera un volume bien supérieur une fois terminé. Amanda ne constituera plus alors qu'une partie d'un énorme télescope à neutrinos qui est déjà connu sous le nom de IceCube.

Figure 2. Les rayons cosmiques ultra-énergétiques, produits par exemple dans les jets des AGN (voir le texte), en atteignant la Terre, produisent des gerbes de particules en cascades qui peuvent être détectées et analysées avec des détecteurs au sol. Cliquez pour agrandir. Crédit : Collaboration Amanda

IceCube, qui est déjà en construction depuis quelques années en Antarctique, occupera  une fois terminé, un kilomètre cube de glace. Comme le télescope Amanda, IceCube recherchera les neutrinos en provenance des sources les plus lointaines de l'Univers et constituées essentiellement de trous noirs et d'étoiles à neutrons. Ces sources, comme les AGN (Active Galactic Nuclei) ou GRB (Gamma Ray Burst), sont de puissants producteurs de particules et de lumière avec des mécanismes de production particulièrement violents.

Au-delà du modèle standard

Au lieu d'utiliser la lumière pour étudier les processus physiques associés aux rayons cosmiques, on se sert des neutrinos comme sondes car ils peuvent voyager à travers l'Univers sans être absorbés ou déviés par les champs magnétiques. En outre, IceCube est aussi un puissant outil pour détecter des particules de matière noire, une clé fondamentale pour comprendre l'origine et le destin de l'Univers !

L'article aujourd'hui publié dans l'Astrophysical Journal fait le point sur six années de recherches conduites avec Amanda au sujet de la détection des neutrinos très énergétiques émis par les sursauts gamma (GRB), les sources sporadiques mais intenses de rayons gamma très énergétiques.

Il y a essentiellement deux types de GRB expliqués actuellement à l'aide de deux modèles représentés par le schéma de la figure 3.

Figure 3. Les deux modèles de sursauts gamma ou Gamma Rays Burst, avec formation finale d'un trou noir. Voir les explications dans le texte. Crédit : David Darling

La partie gauche du schéma illustre le modèle des hypernovae dans lequel une étoile géante rouge voit son cœur se transformer en trou noir et exploser. Le résultat est un sursaut gamma long.

A droite, un système binaire, avec des astres compacts comme des naines blanches ou surtout des étoiles à neutrons, finissent par entrer en collision du fait de la perte d'énergie sous forme d'ondes gravitationnelles. Le résultat final est un sursaut gamma court avec, là aussi, apparition d'un trou noir et d'un disque d'accrétion, entouré d'un tore de gaz et de poussières.

Dans les deux cas, des neutrinos de très hautes énergies sont émis et le spectre de ces neutrinos peut nous renseigner sur les détails complexes de la formation des GRB, ainsi que sur de la physique au-delà du modèle standard, impossible à tester en accélérateurs.

Figure 4. Cliquez pour agrandir. Crédit : Collaboration Amanda

Le schéma de la figure 4 illustre, avec le cas de IceCube, le principe de la détection de ces neutrinos qui est aussi celui employé dans Amanda. Le dispositif contient les sphères guère plus grandes qu'un manchot, capables de détecter le rayonnement Cerenkov produit par les neutrinos ultra-énergétiques ayant traversé la Terre depuis son hémisphère nord.

Cinq neutrinos en six ans

Ainsi, dans le cas d'un neutrino muonique, comme représenté sur le schéma de la figure 5, son interaction avec un noyau d'oxygène dans la glace produit un muon qui, en se déplaçant presque à la vitesse de la lumière, génère une sorte d'onde de choc électromagnétique sous forme de cône : c'est le rayonnement Cerenkov (qui peut un peu se voir comme la lame d'étrave laissée sous forme de sillage par un bateau fendant les vagues).

Figure 5. Les sphères d'Amanda et de IceCube sont aptes à détecter les photons du rayonnement Cerenkov en bleu. Cliquez pour agrandir. Crédit : Collaboration Amanda

Un processus similaire peut arriver avec des neutrinos électroniques, ou des hadrons, produisant des électrons et un rayonnement électromagnétique en cascade, comme on peut le voir sur le schéma de la figure 6.

Figure 6. Cliquez pour agrandir. Crédit : Collaboration Amanda

Le résultat des six années d'observation peut sembler décevant : cet engin géant n'a détecté que 5 neutrinos ultra-énergétique ! Mais il ne l'est pas du tout... Le bruit de fond étant estimé à 3 neutrinos, les observations ne sont donc pas concluantes. On peut dire qu'aucun neutrino en provenance de GRB n'a été détecté, même si quelques-un d'entre eux ont été observés sur une période de 66 jours associée à un GRB détecté par les télescopes gamma en orbite.

Ce résultat négatif est une information en soi, dans la mesure où il élimine certaines hypothèses concernant les GRB. On devrait en savoir plus dans quelques années car IceCube aura alors la sensibilité nécessaire pour augmenter la statistique, poser de nouvelles bornes sur le flux de neutrinos à ultra-hautes énergies atteignant la Terre, et dont on pense qu'il provient des sursauts gamma.

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