La source de neutrinos cosmiques enfin identifiée

Vision d’artiste d’un noyau actif de galaxie, aussi nommé blazar. © Desy/Science Communication Lab
D’où viennent les neutrinos qui bombardent la Terre en permanence ? Nous n’en connaissions jusqu’ici que deux sources : le Soleil et la supernova de 1987, dans le Grand Nuage de Magellan. Une enquête menée grâce au détecteur polaire IceCube et une batterie d’instruments au sol et dans l’espace a permis d’en découvrir une nouvelle, bien plus lointaine...

En ce moment même, un déluge de particules s’abat sur vous sans que vous en ayez conscience. Parmi elles se trouvent des neutrinos. Très abondantes, ces particules ne possèdent aucune charge et traversent l’Univers comme s’il était transparent. Ni la matière ni les champs magnétiques ne peuvent les dérouter, ce qui complique considérablement leur observation. Les neutrinos atmosphériques se forment lorsque des rayons cosmiques frappent l’atmosphère de la Terre.

Avec une énergie d’environ 1 TeV (1012 électronvolts), ces neutrinos formés à demeure sont relativement faciles à détecter. Les neutrinos cosmiques, eux, sont produits par des sources célestes lointaines, leur énergie est plus importante, et leur observation est plus ardue : parmi les 70 000 neutrinos détectés chaque année par le laboratoire polaire IceCube, basé en Antarctique, seuls 4 sont des neutrinos cosmiques à haute énergie. Mais d’où viennent-ils exactement ? 

Noyaux actifs de galaxie

Le 22 septembre 2017, un neutrino d’une énergie d’environ 290 TeV traverse le détecteur d’IceCube, en Antarctique. L’événement, baptisé IceCube-170922A, est aussitôt diffusé à la communauté internationale qui recherche alors sa source à l’aide plusieurs télescopes et détecteurs de rayons de haute énergie, au sol et dans l’espace. Près d’un an d’analyse après, le suspect vient d’être démasqué à 3,7 milliards d’années-lumière de nous : c’est le blazar TXS0506+056, dont les jets de matière accélérée sont pointés vers la Terre, qui nous envoie ces particules.

Le laboratoire IceCube basé en Antarctique. Le détecteur, un bloc de glace de 1 km cube, est enfoui à 2,5 km sous la surface. © IceCube

Un blazar est un objet un peu étrange qui fait partie des « noyaux actifs de galaxie ». En son centre se trouve un trou noir supermassif qui dévore chaque année l’équivalent d’une masse solaire de poussière et de gaz. Parfois, des jets surpuissants s’en échappent et voyagent en direction de la Terre. Ils sont capables d’accélérer des particules à des énergies que nous ne pourrons jamais atteindre sur Terre, même dans le LHC de Genève... « C’est la première fois que l’on est capable de remonter à la source d’un neutrino cosmique. Cela confirme quelque chose que l’on voulait voir depuis longtemps », s’enthousiasme l’astrophysicien Thierry Stolarczyk (CEA).

Le détecteur glacial

Mais comment détecter une particule « fantôme », qui n’entre en contact que très rarement avec d’autres noyaux atomiques ? En agrandissant la taille du détecteur. Celui d’IceCube est un bloc de glace d’un kilomètre cube enfoui à 2,5 km sous le pôle Sud. Il représente 1038 noyaux atomiques (soit 100 milliards de milliards de milliards de milliards de noyaux) avec lesquels un neutrino peut interagir. Des photomultiplicateurs sont fichés dans tout le bloc de glace et permettent d’amplifier le signal caractéristique du passage d’un neutrino : un cône de lumière bleue.

Cette lumière n’est pas produite par le neutrino lui-même, mais par un muon. Le muon est une particule chargée négativement qui résulte du choc d’un neutrino avec un noyau atomique. Comme il est chargé, le muon interagit plus facilement avec les autres noyaux ; il produit alors ce cône de lumière appelée lumière Tcherenkov.

Ce muon est émis dans la même direction que le neutrino qui lui a donné naissance : « Exactement comme au billard, où si une boule en percute une autre suffisamment fort, la seconde ira dans la même direction », décrit Thierry Stolarczyk. Ainsi, repérer la direction d’où vient le muon revient à repérer celle d’où vient le neutrino cosmique.

En pointant dans la direction du muon de l’événement IceCube-170922A, le télescope spatial Fermi de la Nasa observe un objet cosmique produisant énormément de rayons gamma. Or si l’on en croit les lois de la physique nucléaire, les neutrinos sont produits par les mêmes événements que ceux qui donnent naissance aux rayons gamma, la forme de plus énergétique de la lumière.

En l’occurrence, l’objet est déjà connu : il s’agit du blazar TXS0506+056. Entre le 15 et le 27 septembre 2017, celui-ci était particulièrement actif : « Le blazar était en état de flamboiement, le flux émis était six fois plus important que d’ordinaire », explique Thierry Stolarczyk. Le télescope MAGIC (pour Major Atmospheric Gamma-Ray Imaging Cherenkov Telescope), basé à La Palma, aux Canaries, confirme l’observation de Fermi lorsqu’il observe à son tour le blazar entre le 28 septembre et le 3 octobre 2017.

Un accélérateur de particules surpuissant

« Le proton à l’origine du neutrino IceCube-170922A devait avoir une énergie d’environ 10 000 TeV», indique Thierry Stolarczyk. Lors de phénomènes particuliers, comme une explosion de supernova ou le déchaînement d’un noyau actif de galaxie, les protons sont accélérés et portés à une énergie si grande qu’ils peuvent fusionner lorsqu’ils se rencontrent (au lieu de se repousser). La fusion de deux protons produit un noyau de deutérium et un neutrino. Le surplus d’énergie est évacué sous la forme de rayons gamma.

Vision d’artiste d’un blazar émettant des neutrinos et des rayons cosmiques. © IceCube/Nasa

Dans le même temps, les protons qui échappent à la fusion forment le contingent principal des rayons cosmiques. On estime que les rayons cosmiques ont une énergie de l’ordre de 1020 eV. Leur origine est cependant longtemps restée une énigme. En effet, leur voyage est si long dans l’Univers que l’on arrive rarement à remonter jusqu’à leur source. Lorsqu’ils nous parviennent, ils se heurtent de façon homogène à l’atmosphère dans un flux diffus où l’information de leur origine est perdue. Avec la découverte de ce neutrino, le mystère s’éclaircit un peu puisque l’énergie du proton à son origine n’est pas si éloignée de celui des rayons cosmiques : à côté des supernovae, les blazars rejoignent le groupe d’objets célestes potentiellement producteur de rayons cosmiques !

Hasard du calendrier (ou pas...), l’annonce de la découverte tombe exactement au moment où le laboratoire IceCube souhaite construire un détecteur plus grand pour multiplier les observations de neutrinos. Il n’est pas le seul : au Japon, l’expérience Super-Kamiokande qui piège les neutrinos dans des énormes bassins d’eau ultra-pure compte aussi s’agrandir à l’horizon 2020.

En attendant, un réseau de télescopes spatiaux et terrestres s’est créé pour chasser les sources de neutrinos — dans le domaine électromagnétique, cette fois — et comprendre leur histoire, qui semble liée à celle des rayons cosmiques.

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