Une vue des bâtiments de surface du détecteur géant de neutrinos IceCube, en Antarctique. La pureté de la glace à plus d’un kilomètre de profondeur permet à plus de 5.000 photomultiplicateurs d'enregistrer avec précision les flashs bleutés très ténus générés par les muons issus de la collision des neutrinos avec les noyaux atomiques dans la glace. La construction de IceCube a commencé en 2005, mais le détecteur est une version plus grande d'Amanda, qui date du début des années 1990. © Felipe Pedreros, IceCube, NSF

Sciences

Un neutrino éclaire l'énigme de l'origine des rayons cosmiques

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L'astronomie multimessager est en train de prendre son essor sous nos yeux. Elle vient en effet de livrer ce qui pourrait être la clé de l'énigme de l'origine des rayons cosmiques à très hautes énergies, en l'occurrence avec des neutrinos. Les observations d'IceCube et Fermi suggèrent que ces rayons viennent de quasars.

Imaginons les ordinateurs en réseau et la toile mondiale comme une sorte de cerveau électronique planétaire dont l'humanité se doterait pour faire évoluer la « sphère de la pensée humaine » vers de plus hauts états de complexité (la noosphère de Vladimir Vernadsky et Pierre Teilhard de Chardin)... Alors, nous pouvons considérer que ce système nerveux planétaire est aussi en train de permettre la naissance d'un « cortex visuel » et de différents « yeux » de plus en plus performants pour explorer et étudier le cosmos observable.

Nous pouvons nous en convaincre avec l'annonce que vient de faire une équipe internationale de chercheurs groupés autour de la fameuse collaboration IceCube — le gigantesque détecteur de neutrinos situé dans la glace de l'Antarctique, au pôle Sud, et auquel Futura a consacré plusieurs articles (voir notamment l'article ci-dessous) — et d'équipes s'occupant d'astronomie gamma avec le satellite Fermi et le Magic (Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov Telescope, en anglais, soit « Grand télescope Tcherenkov d'imagerie des rayons gamma atmosphériques », en français), situé à l'observatoire du Roque de los Muchachos, sur l'île de La Palma, aux Canaries.

Ces yeux (il en existe bien d'autres en orbite ou répartis à la surface de la Planète) se sont coordonnés (grâce à la Toile du village global de Marshall McLuhan) le 22 septembre 2017 et les jours suivants, en réponse à l'observation par IceCube d'un unique neutrino très énergétique : un évènement baptisé IC170922A.

Présentation de la détection d'un neutrino par IceCube et des photons gamma l'accompagnant, également en provenance d'un même blazar. © NASA Goddard

Un neutrino 45 fois plus énergétique que les protons du LHC

Ce neutrino avait traversé le détecteur en produisant la création d'un muon (un cousin lourd de l'électron) en entrant en collision avec un des quarks à l'intérieur d'un des protons d'une molécule d'eau. Ce muon lui-même a provoqué une sorte d'onde de choc électromagnétique similaire à celle d'un avion franchissant le mur du son et que les détecteurs d'IceCube ont enregistrée (voir la vidéo ci-dessus). Ce faisant, l'énergie du neutrino ainsi que sa direction de provenance sur la voûte céleste ont rapidement été déterminées. Cela a conduit à lancer une alerte mondiale.

L'énergie de ce neutrino était en effet d'environ 290 TeV, c'est-à-dire presque 45 fois celle des protons circulant dans l'anneau du LHC ; de quoi en fabriquer 290.000 dans une seule collision de deux protons. Les scientifiques étaient donc en présence d'un rayon cosmique de très haute énergie, un messager du cosmos qui ne pouvait provenir que d'un évènement astrophysique particulièrement violent. Mais, justement, lequel ? Telle était la question posée par les spécialistes des astroparticules depuis des décennies avec les rayons cosmiques de très hautes énergies.

C'est pourquoi, lentement mais sûrement, ceux-ci ont fait monter en puissance les instruments et la technologie permettant l'astronomie multimessager (c'est-à-dire une astronomie qui ne se limite pas à collecter des photons, mais aussi des signaux portés par autre chose que des ondes électromagnétiques).

Le premier exemple d'une telle astronomie a été donné en 1987 avec la détection conjointe des neutrinos et des photons de la fameuse supernova SN 1987A. Pour un second exemple, il a fallu attendre 2017 avec la détection des ondes gravitationnelles de GW170817 et des photons de la kilonova à l'origine de celles-ci, observée sous la forme d'un sursaut gamma court et produite par une collision d'étoiles à neutrons. Nous sommes maintenant en présence d'un troisième exemple et il aurait sûrement été apprécié à sa juste valeur par Pierre Binétruy s'il était encore parmi nous.

En l'occurrence, le neutrino observé par IceCube a rapidement permis au satellite Fermi de tourner son regard en direction d'une source gamma bien connue faisant partie d'un catalogue de près de 2.000 blazars surveillés par intermittence depuis presque une décennie.

Bingo ! Situé à environ 3,7 milliards d'années-lumière dans la constellation d'Orion, le blazar TXS 0506+056 était bien en train de produire un petit sursaut gamma. Dans la foulée, toute une batterie d'instruments observant dans le domaine des ondes radio jusqu'aux rayons gamma, en passant par le visible et les rayons X, ont été mobilisés. Ils ont confirmé que quelque chose de violent était bel et bien en train de se passer avec TXS 0506+056. Ligo et Virgo étant en maintenance pour être upgradés, on ne sait donc rien d'un possible signal gravitationnel.

Représentation d'artiste d'un tore de gaz et de poussière entourant un trou noir supermassif en rotation émettant des jets de particules, en particulier des protons « p » accélérés. Entrant en collision, ces protons produisent des mésons ∏ chargés et neutres qui se désintègrent en muons μ et neutrinos ν. Il y a aussi des photons gamma Υ. Un blazar est un quasar dont l'un des jets est orienté en direction de la Terre par hasard. © Nasa, IceCube

Les blazars, des accélérateurs de rayons cosmiques

Mais, au fait, c'est quoi un blazar ? Une première réponse consiste à dire qu'il s'agit d'un quasar un peu particulier et que le premier détecté du genre, en 1968, était BL Lacertae. Nous savons maintenant que les quasars « ordinaires » et les blazars font partie de la même famille d'objets, les noyaux actifs de galaxies (NAG) et qu'il existe un modèle unifié de ces objets rendant compte des observations : un trou noir de Kerr supermassif en rotation accrétant de la matière.

Nous sommes à chaque fois en présence des processus de magnétohydrodynamique (MHD) relativiste complexes accompagnant l'accrétion de matière et la rotation de ce type de trous noirs ; ces processus conduisent à la formation de jets de particules et à des émissions d'ondes électromagnétiques dans les domaines radio, X et gamma. Lorsqu'un des jets de particules pointe dans notre direction, on observe un blazar. Comme il existe des instabilités dans les phénomènes MHD et l'accrétion de matière, l'intensité des émissions est variable et on observe donc également de brusques éruptions sous forme de petits sursauts gamma, bien que l'énergie mise en jeu soit considérable.

Accompagnant ces émissions gamma, il y a donc également des émissions de neutrinos. La théorie et les calculs indiquent que ceux-ci doivent être produits par des collisions de protons, accélérés à des énergies bien supérieures à celles du LHC. Ces collisions doivent en particulier générer des mésons pi, des pions, comme on les appelle souvent. Instables, ils se désintègrent en diverses particules, notamment en des neutrinos.

Une présentation du détecteur de neutrinos IceCube. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais apparaissent alors. Cliquez ensuite sur la roue dentée à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © WebsEdgeEducation

Une astronomie multimessager clé d'une nouvelle physique ?

Les observations de IceCube, Fermi, Magic et, au final, celles de 20 observatoires sur Terre et dans l'espace (comme le détecteur de neutrinos Antares ou le télescope Integral), ayant nécessité le travail de plus de 1.000 chercheurs sur Terre, montrent bien que nous sommes entrés dans l'ère de l'astronomie multimessager. Toutes les fois qu'une nouvelle fenêtre d'observation s'est ouverte en astronomie, celle-ci a fait un bond en avant. Nous pouvons donc nous attendre à de nouvelles grandes découvertes dans un futur proche, surtout en combinant la détection des ondes électromagnétiques, celle des ondes gravitationnelles et celle des neutrinos.

Pour le moment, l'apport le plus important de cette nouvelle astronomie dans le cas de la découverte de IC170922A est qu'elle nous permet de penser que nous connaissons enfin l'origine des rayons cosmiques de très hautes énergies. C'est une vielle énigme, même si l'on se doutait de la nature et de l'origine des accélérateurs ayant produit ces rayons.

Le problème est que les rayons cosmiques jusqu'ici majoritairement détectés sont des particules chargées, comme des protons, des noyaux ou des positrons. Celles-ci sont facilement déviées par les champs magnétiques turbulents dans la Voie lactée et entre les galaxies. Ainsi, la direction dont elles semblent venir ne peut pas correspondre vraiment à leur localisation d'origine sur la voûte céleste.

Comme expliqué dans l'article ci-dessous, les neutrinos n'ont pas ce défaut, car ils ne sont pas chargés. Ils sont, de plus, très pénétrants. Donc, non seulement ils avaient le potentiel pour vérifier que les rayons cosmiques à très hautes énergies étaient produits par les noyaux actifs de galaxies, c'est-à-dire les abords des trous noirs supermassifs, mais, étant particulièrement pénétrants, ils étaient aussi des sondes très intéressantes pour étudier ce qui s'y passait.

Les scientifiques devraient donc maintenant pouvoir connecter la physique de cette astronomie multimessager à celles des trous noirs supermassifs, qui constituent des accélérateurs et des laboratoires de physique des hautes énergies bien plus puissants que le LHC. Qui sait quelles découvertes portant sur une nouvelle physique (matière noire ou gravitation quantique) nous attend maintenant avec eux ? Pour approfondir le sujet, vous pouvez découvrir plusieurs articles (en anglais) détaillant la découverte ainsi qu'une animation (en anglais).

  • Les scientifiques pensent raisonnablement savoir que les rayons cosmiques à basses énergies provenant d'au-delà du Système solaire sont accélérés par les ondes de choc des supernovae dans le milieu interstellaire. Mais ce mécanisme ne rend pas compte de certains rayons cosmiques à très hautes énergies, dont certains peuvent être un milliard de fois plus énergétiques que les protons du LHC, voire plus.
  • Les scientifiques pensaient que ces rayons avaient été accélérés par les trous noirs supermassifs. Cependant, les particules chargées émises dans des jets étant chaotiquement déviées par les champs magnétiques cosmiques, la direction de propagation de ces particules détectées sur Terre ne pouvait pas traduire leur localisation d'origine sur la voûte céleste. Neutres, les neutrinos n'ont pas ce problème.
  • En combinant la détection d'un neutrino très énergétique détecté par IceCube, au pôle Sud, avec les observations d'un sursaut gamma par le satellite Fermi, la source de ce neutrino a finalement été localisée : il s'agit d'un quasar situé à des milliards d'années-lumière de nous et dont les jets de matière sont en direction de la Terre. Techniquement, c'est donc un « blazar ».
  • Il est raisonnable de penser que les autres rayons cosmiques de très hautes énergies prennent également naissance aux abords des trous noirs supermassifs. Cette découverte a été faite grâce à la toute nouvelle astronomie multimessager.
Pour en savoir plus

IceCube voit peut-être des neutrinos venus de lointains quasars

Article de Laurent Sacco publié le 26/11/2013

Certains neutrinos très énergétiques ne sont produits ni par le Soleil ni par le choc des rayons cosmiques galactiques sur les noyaux de l'atmosphère de la Terre. On les chasse depuis un certain temps avec le télescope IceCube installé dans un cube de glace d'un kilomètre de côté en Antarctique. Les physiciens viennent enfin de détecter ces neutrinos qui pourraient avoir été produits aux abords des trous noirs supermassifs ou à l'occasion de sursauts gamma.

Les véritables débuts de l'astronomie neutrino datent de presque 50 ans, lorsque Raymond Davis et John Norris Bahcall ont détecté les premiers neutrinos en provenance du Soleil en 1968. Un second événement marquant a été celui de la détection, en 1987, des neutrinos émis par l'explosion de l'étoile Sanduleak, plus connue sous le nom de supernova SN 1987A. Il est possible que l'annonce faite récemment par les membres de la collaboration IceCube, et qui concerne la détection de 28 neutrinos possédant des énergies comprises entre 30 et 1.200 TeV, soit vue par les historiens du futur comme le troisième élément marquant de l'histoire de l'astronomie des neutrinos.

Pour comprendre pourquoi la détection de ces neutrinos est si importante, il faut faire mieux connaissance avec ces particules fantomatiques, qui sont plus abondantes dans le cosmos que les photons du rayonnement fossile, eux-mêmes presque un milliard de fois plus nombreux que les noyaux atomiques.

De gauche à droite, Fermi, Heisenberg et Pauli. Dès 1936, bien que pour de mauvaises raisons, Heisenberg avait compris que l'on devrait pouvoir observer les effets des neutrinos de Fermi et Pauli dans les rayons cosmiques. © F. D. Rasetti, AIP Emilio Segrè Visual Archives

Les neutrinos et la force nucléaire faible

En 1930, alors que Wolfgang Pauli est encore secoué par son divorce (comme l'explique Étienne Klein dans un récent ouvrage, La physique des infinis), il postule l'existence d'une nouvelle particule. Il dira plus tard qu'elle a été « l'enfant fou de la pire période de sa vie ». Il s'agit pour lui du moyen de résoudre une énigme concernant le spectre en énergie des électrons émis par la désintégration bêta. Ce spectre est continu plutôt que discret, comme l'on découvert Lise Meitner et Otto Hahn en 1911. Plutôt que de remettre en question le principe de conservation de l'énergie, comme n'hésitait pas à le faire Niels Bohr, Pauli rend compte de ce spectre en faisant porter l'énergie manquante par une particule inconnue jusque-là. Malheureusement, il faut supposer pour cela que la nouvelle particule de spin 1/2, comme l'électron, n'a pas de charge et pas de masse. Elle est donc à priori indétectable, ce qui semble bien peu satisfaisant du point de vue scientifique.

À la suite de la découverte du neutron en 1932, Fermi construit une élégante théorie de la désintégration bêta, dans laquelle il postule l'existence d'une nouvelle force, l'interaction nucléaire faible. La théorie de Fermi incorpore naturellement la particule de Pauli, qu'il baptise du nom de neutrino, ce qui signifie « le petit neutre » en italien.

On sait aujourd'hui qu'il existe en réalité trois types de neutrinos, et qu'ils peuvent interagir avec les quarks et les leptons du modèle standard via les bosons W et Z, dont les masses dérivent du mécanisme de Brout-Englert-Higgs. On sait aussi que ces neutrinos peuvent se transformer les uns dans les autres selon le mécanisme d'oscillation découvert par Bruno Pontecorvo, et qui attribue une masse à quelques-uns, voire tous les neutrinos. Ils ont aussi défrayé la chronique récemment parce que l'on pensait qu'ils pouvaient se déplacer plus vite que la lumière.

Les neutrinos sont très pénétrants, et peuvent traverser la Terre sans problème. Ce schéma montre les origines des neutrinos pouvant être détectés par l'effet Tcherenkov des muons dans de l'eau et de la glace (voir le texte ci-dessous pour plus de détails). Certains neutrinos muoniques, νμ, sont produits par des accélérateurs cosmiques naturels comme les noyaux actifs de galaxies. D'autres sont des neutrinos atmosphériques engendrés par les collisions de protons et de noyaux d'hélium, des particules α, sur les noyaux des couches de la haute atmosphère. Plus spéculative est l'idée que des particules de matière noire, comme les neutralinos χ0 de la supersymétrie, se sont peut-être accumulées au centre de la Terre. Elles pourraient se désintégrer en donnant des neutrinos très énergétiques.
Les neutrinos sont très pénétrants, et peuvent traverser la Terre sans problème. Ce schéma montre les origines des neutrinos pouvant être détectés par l'effet Tcherenkov des muons dans de l'eau et de la glace (voir le texte ci-dessous pour plus de détails). Certains neutrinos muoniques, νμ, sont produits par des accélérateurs cosmiques naturels comme les noyaux actifs de galaxies. D'autres sont des neutrinos atmosphériques engendrés par les collisions de protons et de noyaux d'hélium, des particules α, sur les noyaux des couches de la haute atmosphère. Plus spéculative est l'idée que des particules de matière noire, comme les neutralinos χ0 de la supersymétrie, se sont peut-être accumulées au centre de la Terre. Elles pourraient se désintégrer en donnant des neutrinos très énergétiques. © IN2P3

Le bruit de fond des neutrinos atmosphériques

Les neutrinos interagissent très faiblement avec la matière, surtout lorsqu'ils portent des énergies basses. C'est le cas de ceux laissés par le Big Bang et ceux émis par le Soleil, de sorte que 100.000 milliards de ces particules traversent notre corps chaque seconde sans que nous y prenions garde. Il existe une autre source de neutrinos importante liée aux rayons cosmiques. Ces neutrinos sont dits atmosphériques.

Ils sont produits par les protons et les noyaux accélérés quelque part dans la Voie lactée et entrent en collision avec les noyaux d'oxygène et d'azote de la haute atmosphère. Se créent alors des mésons instables qui se désintègrent en donnant des neutrinos muoniques et électroniques essentiellement. On sait quantifier le flux de neutrinos d'origine cosmologique et aussi ceux liés au Soleil et aux rayons cosmiques ordinaires tombant sur les hautes couches de l'atmosphère, de sorte que des neutrinos très énergétiques, ou avec un flux brutalement très important, émergent clairement au-dessus du bruit de fond des neutrinos atmosphériques si l'on dispose d'un détecteur adéquat.

Schéma d’IceCube en Antarctique. En tout, 5.160 photomultiplicateurs capables de détecter la lumière Tcherenkov (cône bleu) produite par les rayons cosmiques sont installés en colonnes verticales de plusieurs kilomètres dans la glace. Ils sont orientés vers le sol, et non vers le ciel, car on se sert de la Terre comme d'un filtre pour augmenter les chances d'observer des neutrinos galactiques et extragalactiques malgré le bruit de fond des neutrinos atmosphériques et solaires.
Schéma d’IceCube en Antarctique. En tout, 5.160 photomultiplicateurs capables de détecter la lumière Tcherenkov (cône bleu) produite par les rayons cosmiques sont installés en colonnes verticales de plusieurs kilomètres dans la glace. Ils sont orientés vers le sol, et non vers le ciel, car on se sert de la Terre comme d'un filtre pour augmenter les chances d'observer des neutrinos galactiques et extragalactiques malgré le bruit de fond des neutrinos atmosphériques et solaires. © Exploratorium, 2011

Lorsque des neutrinos d'énergies suffisamment élevées interagissent avec certains quarks dans les nucléons des molécules d'eau de l'océan ou de la glace, ils conduisent à la création d'un muon lui aussi d'assez haute énergie, qui commence sa trajectoire dans la même direction que le neutrino initial. Dans l'eau ou la glace, ce muon provoque alors une sorte d'onde de choc électromagnétique, un peu à la manière d'une lame d'étrave créée par un bateau : c'est l'effet Tcherenkov. Des photomultiplicateurs peuvent enregistrer les photons émis. On peut alors se servir du signal détecté pour remonter à la direction précise d'où provenait le neutrino, et déterminer quelle énergie il portait. C'est ce que les scientifiques tentent de faire depuis presque 40 ans, en particulier avec des détecteurs de grande échelle comme IceCube (la version géante d'Amanda, son prédécesseur) en Antarctique et Antarès dans la Méditerranée.

Les neutrinos, une nouvelle fenêtre pour l'astronomie

Il faut toutefois se souvenir que les protons du rayonnement cosmique galactique qui ont généré les neutrinos atmosphériques sont chargés. On pense qu'ils ont été produits par des supernovae ou aux abords d'astres compacts comme les étoiles à neutrons ou les trous noirs stellaires. Mais du fait des champs magnétiques dans la Voie lactée, ils sont déviés et effectuent une sorte de marche aléatoire à la façon d'un ivrogne. Il n'est donc possible d'assigner une source précise sur la voûte céleste ni à ces protons (qui forment l'essentiel des rayons cosmiques) ni aux neutrinos qu'ils génèrent. Cela laisse d'ailleurs planer quelques doutes sur l'origine exacte de la majorité des rayons cosmiques.

Les courbes des flux de neutrinos de différentes énergies. Les neutrinos cosmologiques (cosmological ν) sont très abondants, comme on le voit à gauche, mais uniquement à très basses énergies. En pratique, ils sont inobservables. Entre 1 keV et 1 MeV, le flux est dominé par les neutrinos solaires, mais de 1 GeV à 1 TeV, on ne voit vraiment que des neutrinos atmosphériques peu intéressants pour l'astrophysique. © Aspera

Mais au-dessus de certaines énergies, le flux de neutrinos atmosphériques décroît d'une manière bien précise. Au-dessus de quelques dizaines de TeV, il devient de plus en plus difficile de rendre compte d'un flux de neutrinos autrement qu'en imaginant que ceux-ci soient directement produits aux abords d'objets compacts, comme les quasars, ou à l'occasion de certains sursauts gamma, même si le mécanisme de leur production peut être identique à celui des neutrinos atmosphériques. Les caractéristiques des flux de brusques bouffées de neutrinos accompagnant par exemple une supernova dans la Voie lactée sont elles aussi bien identifiables.

Dans le cas des supernovae, il est intéressant de constater que les neutrinos émis proviennent directement du cœur de l'étoile qui explose. Ils nous renseignent sur ce qui est en train de s'y passer, ce qui n'est pas le cas des photons associés à ce phénomène. Il en est de même de ceux émis par la surface du Soleil, qui ne proviennent pas directement du cœur du Soleil, et c'est pourquoi on se sert des neutrinos solaires pour vérifier, par exemple, la théorie de la production du deutérium.

Les neutrinos, des sondes pour les quasars et sursauts gamma

De toutes ces considérations, il émerge que parce que les neutrinos ne sont pas sensibles aux champs magnétiques et qu'ils sont très pénétrants, ils peuvent servir à localiser clairement sur la voûte céleste les sources de rayons cosmiques à très hautes ou ultrahautes énergies quand ils ne sont pas d'origine atmosphérique, solaire ou cosmologique. Ils sont donc complémentaires des photons gamma de très hautes énergies, détectés notamment lors des sursauts gamma, dont on ne connaît toujours pas très bien l'origine. On prévoit en particulier que le flux de neutrinos à des énergies de l'ordre de 1.000 TeV (c'est-à-dire de l'ordre de 1 PeV) provient majoritairement des noyaux actifs de galaxies (AGN, voir le schéma ci-dessus), c'est-à-dire des quasars et des trous noirs supermassifs.

Il est peu probable que les 28 neutrinos possédant des énergies comprises entre 30 et 1.200 TeV, dont la détection par IceCube est exposée en détail dans un article sur arxiv, soient des neutrinos atmosphériques. Il semble bel et bien que l'astrophysique des neutrinos soit en train d'entrer dans une ère nouvelle. Certains espèrent qu'elle nous livrera les clés d'une nouvelle physique, et ne nous révélera pas seulement des secrets concernant les supernovae, les étoiles à neutrons ou les quasars.

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