Les rayons cosmiques ont été découverts au début du XXe siècle mais depuis quelques décennies, on en détecte avec des énergies tellement élevées que leur production nécessite de mystérieux accélérateurs cosmiques. En suivant la piste des neutrinos cosmiques, il semble de plus en plus évident que ces accélérateurs sont des trous noirs supermassifs. Les derniers résultats du détecteur géant IceCube en Antarctique vont fortement dans ce sens.

Cela vous intéressera aussi

[EN VIDÉO] Les 20 ans de Futura avec Françoise Combes 2021 c'est l'année des 20 ans de Futura ! À cette grande occasion, nous avons demandé à nos parrains de s'exprimer sur le sujet... Françoise Combes s'est notamment prêtée à l'exercice et nous livre son analyse d'astrophysicienne sur le passé, mais aussi sur les 20 prochaines années.

Quand Wolfgang PauliWolfgang Pauli et Enrico FermiEnrico Fermi ont postulé l'existence du neutrino et l'ont utilisé pour faire une théorie de la radioactivitéradioactivité bêta dans les années 1930, ils ne pouvaient pas savoir non seulement qu'il existait plusieurs types de neutrinosneutrinos se convertissant les uns dans les autres au cours du temps mais aussi que ces particules fantomatiques seraient utilisées pour faire de l'astronomie multimessager, par exemple en combinaison avec la détection d'ondes gravitationnellesondes gravitationnelles, et pour tenter de percer les secrets des noyaux actifs de galaxiesnoyaux actifs de galaxies, notamment des quasars.

Toutefois, on étudiait déjà à l'époque les rayons cosmiquesrayons cosmiques et on s'interrogeait sur leurs origines. C’est en 1926 et au prix Nobel de physique Robert Millikan que l’on doit ce nom, comme le prouve un article de 1928 où il l'utilise. Pour lui, ces rayons cosmiques ne proviennent pas des étoilesétoiles, mais sont des ondes électromagnétiquesondes électromagnétiques ionisantes et elles représentent les « cris de naissance des atomesatomes » dans la Galaxie. La découverte des positrons, des muonsmuons et des pions chargés allait rapidement montrer que Millikan se trompait sur le premier point. Toutefois, une partie des rayons cosmiques à des énergiesénergies pas trop élevées est vraiment en rapport avec les explosions de supernovae, et donc la synthèse de certains éléments chimiqueséléments chimiques.


Olivier Drapier, chercheur au laboratoire Leprince-Ringuet de l’École polytechnique, CNRS, nous parle des neutrinos, ces particules de matière que l'on peut utiliser pour étudier les étoiles et l'Univers. © École polytechnique

Après la Seconde Guerre mondiale on fera cependant la découverte de rayons cosmiques à des énergies de plus en plus hautes, par exemple des photonsphotons gamma, des énergies trop importantes pour être le produit de simple explosion d'étoiles, et s'est alors posé la question de l'origine des rayons cosmiques à ultra-hautes énergies.

Depuis plusieurs décennies, on pense que les super-accélérateurs de particules capables de les produire sont étroitement associés aux phénomènes aux abords des trous noirs supermassifstrous noirs supermassifs au cœur de la très grande majorité des grandes galaxies. Mais il reste bien des questions à ce sujet.

Un milliard de tonnes de glace pour chasser des neutrinos cosmiques

Pour y voir plus clair on a donc développé un gigantesque détecteur de neutrinos à hautes énergies. Comme Futura l'expliquait dans le précédent article ci-dessous, étant neutres, les neutrinos ne sont pas déviés par les champs magnétiqueschamps magnétiques cosmiques et leurs directions d'arrivée permettent de remonter directement un astreastre source sur la voûte céleste.

Mais comme la probabilité d'interaction d'un neutrino avec un électron ou un nucléonnucléon d'un atome est très faible, il faut surveiller une massemasse énorme d'atomes pour détecter les collisions entre un neutrino et ces particules, collisions qui vont produire un faible rayonnement électromagnétique donnant un signal que l'on peut analyser pour en tirer de multiples conclusions. En effet, si l'on devait prendre une analogieanalogie, il faut multiplier le nombre de tirages au loto à la seconde pour espérer tirer le bon numéro rapidement et à répétition si la probabilité de sa sortie est très faible.

On comprend donc pourquoi le détecteur de neutrinos dans l'AntarctiqueAntarctique, appelé l'IceCube Neutrino Observatory, est un monstre avec 1 milliard de tonnes de glace instrumentée par des détecteurs de rayonnement Cerenkovrayonnement Cerenkov distribués dans ce bloc à des profondeurs de 1,5 à 2,5 kilomètres sous la surface du pôle Sud.


Une vidéo de présentation de IceCube. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © IceCube Neutrino Observatory

En fait, IceCube n'est pas le seul détecteur à neutrinos et cela fait déjà quelques années maintenant que l'on peut associer des neutrinos très énergétiques à des galaxies. Mais la statistique était encore pauvre de sorte que les résultats obtenus, bien que plutôt convaincants, ne l'étaient pas au point de régler la question de savoir si ces neutrinos étaient bien produits par des trous noirs supermassifs de Kerr en rotation, accrétant de la matièrematière, ou bien d'autres objets potentiellement très exotiquesexotiques.

Aujourd'hui, les chercheurs travaillant avec IceCube font savoir, via plusieurs communiqués et une publication dans Science, qu'ils se sont très significativement approchés des mythiques 5 sigma en statistiques et qui permettent de parler avec confiance d'une vraie découverte.

Les plus de 5 000 capteurscapteurs optiques de la taille d'un ballonballon de basket d'IceCube, répartis sur 86 lignes déployées dans des trous percés à près de 2 500 mètres de profondeur (maintenant gelés en permanence dans la glace profonde), ont détecté le rayonnement Cerenkov d'environ 80 neutrinos de hautes énergies au cours de ces dernières années, neutrinos provenant clairement de la galaxie NGCNGC 1068, alias Messier 77.

M77, un laboratoire pour l'astronomie neutrino

C'est une galaxie très célèbre et très étudiée que l'on peut même observer avec un eVscope en direction de la constellation de la Baleineconstellation de la Baleine. Située à environ 47 millions d'années-lumièreannées-lumière de la Voie lactéeVoie lactée, c'est une galaxie de type Seyfert. Rappelons que les galaxies de Seyfertgalaxies de Seyfert (elles ont été nommées d'après l'astronomeastronome états-unien Carl Seyfert, qui a étudié ces astres au cours des années 1940) sont des galaxies spiralesgalaxies spirales caractérisées par un noyau extrêmement brillant et compact, représentant l'une des plus grandes sources de rayonnement électromagnétique connues de l'UniversUnivers observable.

On pense que le rayonnement du noyau de M77 est produit par un trou noir supermassif de plusieurs millions de masses solaires accrétant de la matière, mais en tant que galaxie de Seyfert de type II, ce trou noir et son disque sont observés par la tranche et en fait largement derrière un tore de poussières, comme il est prédit par le modèle unifié des noyaux actifs de galaxies.

M77 et sa localisation vers la constellation de la Baleine. © Jack Parin, IceCube/NSF ; Nasa/ESA/A. van der Hoeven
M77 et sa localisation vers la constellation de la Baleine. © Jack Parin, IceCube/NSF ; Nasa/ESA/A. van der Hoeven

Les neutrinos étant très pénétrants, ils peuvent donc voir à travers ce tore et comme le nouveau bilan des observations de IceCube (un résultat à 4,2  sigma) rend encore plus crédible l'origine des neutrinos de hautes énergies, à savoir des trous noirs supermassifs, nous sommes donc au seuil de nouvelles découvertes importantes sur les quasars et les trous noirs géants en complément de celles déjà obtenues avec, par exemple, les observations de l'Event Horizon Telescope.

Enfin, la collecte de neutrinos qui va se poursuivre avec M77 et une nouvelle version encore plus grande d'IceCube étant à l'étude, on peut penser que l'on étudiera bientôt d'autres émissionsémissions de neutrinos, d'autres noyaux actifs de galaxies, et que M77 va servir de point de référence pour ces prochaines études.


La couronne des trous noirs supermassifs à l'origine de mystérieux neutrinos ?

Article de Laurent SaccoLaurent Sacco publié le 11/07/2020

Des neutrinos de hautes énergies sont produits par des accélérateurs cosmiques comme les abords des trous noirs supermassifs. Mais on ne comprenait pas pourquoi certains de ces neutrinos n'étaient pas accompagnés de photons gamma. Une solution à cette énigme fait intervenir l'équivalent de la couronne solairecouronne solaire mais autour des trous noirs.

Une simulation réaliste montrant le disque d'accrétion chaud entourant un trou noir. © Jean-Pierre Luminet, Jean-Alain Marck
Une simulation réaliste montrant le disque d'accrétion chaud entourant un trou noir. © Jean-Pierre Luminet, Jean-Alain Marck

Pendant longtemps, la lumière est restée l'unique médium entre les astres et les astrophysiciensastrophysiciens. Elle peut voyager sur des distances proprement astronomiques, c'est-à-dire des millions et des milliards d'années-lumière. D'abord limités par des observations dans le visible, les yeuxyeux de l'Humanité se sont progressivement ouverts dans d'autres longueurs d'ondeslongueurs d'ondes, de l'infrarougeinfrarouge à l'ultravioletultraviolet, des ondes radiosradios aux rayons gammarayons gamma. À chaque fois qu'une fenêtrefenêtre s'est ouverte dans le domaine des ondes électromagnétiques, des découvertes spectaculaires ont été faites, comme par exemple l'existence des pulsars, des trous noirs et du rayonnement fossilerayonnement fossile ou encore les disques protoplanétairesdisques protoplanétaires.

Toutefois, la lumière a un inconvénient. De la matière peut s'interposer entre les yeux de la noosphère et les objets lointains du cosmoscosmos. On sait par exemple que la poussière interstellairepoussière interstellaire dans la Voie lactée nous a dérobé bon nombre d'explosions de supernovae. Heureusement, le cerveaucerveau de l'Homo sapiens a découvert et développé une astronomie multimessager, en particulier avec les neutrinos, ces particules de matière fantomatiques qui interviennent notamment dans les réactions thermonucléaires faisant briller les étoiles mais aussi exploser des soleilssoleils.

L'astronomie des neutrinos

Neutres, contrairement aux particules chargées tels les protonsprotons, les positrons ou les noyaux d'héliumhélium qui sont chaotiquement déviés au point de se déplacer comme si ils étaient ivres dans les champs magnétiques galactiques et intergalactiques, les neutrinos sont aussi très pénétrants au point de pouvoir traverser la Terre sans généralement interagir avec les autres particules de matière. Ils sont générés dans des processus à haute énergie en particulier et, en les observant, contrairement donc aux autres rayons cosmiques matériels, on peut déterminer avec assurance de quelle portion de la voûte céleste et donc de quel objet ils ont été émis.

L'astronomie neutrinos a donc été intensément cultivée, elle nous a révélé les secrets des sources d’énergie faisant briller le Soleil et les autres étoiles.  On attend d'elle qu'elle nous en livre d'autres concernant les collisions d'étoiles à neutronsétoiles à neutrons avec d'autres astres compacts et ce qui se passe aux abords des trous noirs supermassifs au cœur des noyaux actifs de galaxies, en particulier quand ils apparaissent comme des quasars.


Une présentation de IceCube chassant les neutrinos de haute énergie pour déterminer notamment leurs origines. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © IceCube Collaboration/NSF

Un des instruments conçus pour détecter ces neutrinos s'appelle l'IceCube Neutrino Observatory et il a été construit dans les glaces de l’Antarctique. Il a débusqué plusieurs énigmes et l'une d'entre elles fait l'objet d'une publication dans Physical Review Letters par une équipe internationale menée par Kohta Murase, professeur adjoint de physiquephysique, d'astronomie et d'astrophysiqueastrophysique à l'Université Penn State et également membre du Center for Multimessenger Astrophysics de l'Institut de gravitationgravitation et du cosmos (IGC).

Dans un communiqué, Kohta Murase explique l'origine de l'article publié, également en accès libre sur arXiv, de la façon suivante : « Les neutrinos cosmiques de haute énergie sont créés par des accélérateurs énergétiques de rayons cosmiques dans l'Univers qui peuvent être des objets astrophysiques extrêmes tels que des trous noirs et des étoiles à neutrons. Ils doivent être accompagnés de rayons gamma ou d'ondes électromagnétiques à des énergies plus faibles, et même parfois d'ondes gravitationnelles. Donc, nous nous attendons à ce que les niveaux de ces divers "messagers cosmiques" que nous observons soient liés. Fait intéressant, les mesures faites avec IceCube ont indiqué un excès d'émission de neutrinos avec des énergies inférieures à 100 téraélectrons voltsvolts (TeV), par rapport au niveau des rayons gamma à haute énergie correspondant vu par le télescopetélescope spatial à rayons gamma Fermi ».

En arrière-plan, la galaxie spirale M77 et une image d'artiste faisant le zoom vers son noyau actif qu'occupe un trou noir supermassif entouré d'un tore de poussière enveloppant un disque d'accrétion. © Nasa
En arrière-plan, la galaxie spirale M77 et une image d'artiste faisant le zoom vers son noyau actif qu'occupe un trou noir supermassif entouré d'un tore de poussière enveloppant un disque d'accrétion. © Nasa

Dit autrement, les mécanismes invoqués jusqu'ici pour produire des émissions de neutrinos à hautes énergies impliquaient qu'ils soient accompagnés de photons gamma en proportion du flux produit. Or, en dessous des énergies de 100 TeV pour des neutrinos, il y a un déficit de photons gamma que l'on constate en particulier si l'on combine les observations de IceCube avec Fermi en direction de la célèbre galaxie active M77 alias NGC 1068.

Une couronne de plasma pour les trous noirs

Murase et ses collègues pensent avoir une solution à cette énigme : « Nous savons que les sources de neutrinos de haute énergie doivent également créer des rayons gamma, donc la question est : "où sont ces rayons gamma manquants ?" Les sources sont en quelque sorte cachées à notre vue dans le domaine des rayons gamma de haute énergie, et le bilan énergétique des neutrinos libérés dans l'univers est étonnamment élevé. Les meilleurs candidats pour ce type de source ont des environnements denses, où les rayons gamma seraient bloqués par leurs interactions avec le rayonnement et la matière mais où les neutrinos peuvent facilement s'échapper. Notre nouveau modèle montre que les systèmes formés de trous noirs supermassifs sont des sites prometteurs et le modèle peut expliquer les neutrinos en dessous de 100 TeV avec des contraintes et des hypothèses sur les énergies en jeu modestes ».

Le modèle en question n'est pas compliqué à comprendre. On sait que les trous noirs accrétant de la matière, et particulièrement quand cette accrétion est importante en donnant des noyaux actifs de galaxies, s'entourent d'un disque de plasma particulièrement chaud comme l'illustrent les fameuses simulations découlant des travaux de Jean-Pierre LuminetJean-Pierre Luminet et Jean-Alain Marck. Ce que l'on sait moins, c'est qu'au-dessus de ce disque se forme l'équivalent du plasma de la couronne solaire mais cette fois-ci, à des températures qui peuvent atteindre non pas le million mais le milliard de degrés ! Dans cet environnement magnétisé et turbulent, les particules peuvent être accélérées par des processus de magnétohydrodynamique qui conduisent à des collisions de particules créant des neutrinos et des rayons gamma, mais le plasma est suffisamment dense pour empêcher la fuite de rayons gamma de haute énergie.

Une autre image d'artiste montrant le tore entourant le disque d'accrétion d'un trou noir supermassif formé d'un plasma au-dessus duquel existe l'équivalent de la couronne solaire. © Nasa
Une autre image d'artiste montrant le tore entourant le disque d'accrétion d'un trou noir supermassif formé d'un plasma au-dessus duquel existe l'équivalent de la couronne solaire. © Nasa

Toujours dans le communiqué de l'Université Penn State, Murase précise que « le modèle prédit également des équivalents électromagnétiques des sources de neutrinos dans des rayons gamma "mous" au lieu de rayons gamma de haute énergie. Les rayons gamma à haute énergie seraient bloqués mais ce n'est pas la fin de l'histoire. Ils finiraient par être dégradés en cascade par les collisions avec la matière du plasma pour atteindre des énergies inférieures et être libérés sous forme de rayons gamma "mous" dans la gamme des méga-électrons volts, mais la plupart des détecteurs de rayons gamma existants, comme le télescope spatial à rayons gamma Fermi, ne sont pas conçus pour les détecter ».

Le modèle de ces astrophysiciens des particules est donc réfutable au sens de Popper car il prédit ce flux de rayons gamma à basse énergie que devraient pouvoir mesurer de nouveaux détecteurs en préparation, en complément d'autres télescopes à neutrinos comme KM3NeT, et comme l'explique Murase, « ces nouveaux détecteurs de rayons gamma et de neutrinos permettront de rechercher plus efficacement les émissions multimessagers provenant des couronnes des trous noirs supermassifs. Cela permettra d'examiner de manière critique si ces sources sont responsables du flux important de neutrinos de moyennes d'énergies observé par IceCube comme le prédit notre modèle ».


Cette vidéo montre notamment un image composite de la galaxie M 77, alias NGC 1068, en superposant des vues dans différentes longueurs d'onde. Le visible est observé par le télescope Hubble, le domaine radio par le VLA et les rayons X par le satellite Chandra. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Chandra X-ray Observatory