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Les neutrinos sont des particules élémentaires de très faible masse et n’interagissant que très peu avec la matière, il est donc compliqué de les détecter et de les étudier. Pour ce faire, les physiciens construisent des détecteurs liquides enfouis profondément sous terre afin d’être le plus possible isolés du bruit ambiant. Au cours des derniers mois, l’un de ces détecteurs, IceCube (situé en Antarctique), a enregistré plusieurs événements liés à des neutrinos d’énergie inférieure à 100 TeV. L’origine de ces neutrinos est restée une énigme jusqu’à ce qu’une équipe de chercheurs américains proposent enfin une explication : la couronne des trous noirs supermassifs pourrait en être la source.

L’origine des neutrinos cosmiques de haute énergie observés par l’Observatoire des neutrinos IceCube, dont le détecteur est enfoui profondément dans la glace antarctique, est une énigme qui laisse perplexes les physiciens. Un nouveau modèle pourrait aider à expliquer le flux inattendu de certains de ces neutrinos déduit des données récentes. Un article des chercheurs de Penn State décrivant le modèle, qui pointe vers les trous noirs supermassifs trouvés au cœur des galaxies actives comme sources de ces mystérieux neutrinos, a été publié dans la revue dans la revue Physical Review Letters.

« Les neutrinos cosmiques de haute énergie sont créés par des accélérateurs énergétiques 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 inférieures, et même parfois des ondes gravitationnelles », explique Kohta Murase, professeur de physique et d’astronomie et d’astrophysique à Penn State et membre du Center for Multimessenger Astrophysics de l’Institut for Gravitation and the Cosmos (IGC)

« Donc, nous nous attendons à ce que les niveaux de ces divers  « messagers cosmiques » que nous observons soient liés. Fait intéressant, les données IceCube ont indiqué une émission excessive de neutrinos avec des énergies inférieures à 100 téraélectrons volts (TeV), par rapport au niveau de rayons gamma à haute énergie vus par le télescope spatial à rayons gamma Fermi ».

Milieux denses : sont-ils la source d’émission des neutrinos inférieurs à 100 TeV ?

Les physiciens combinent les informations de tous ces messagers cosmiques pour en savoir plus sur les événements dans l’Univers et pour reconstruire son évolution dans le domaine en plein essor de « l’astrophysique multimessager ». Pour les événements cosmiques extrêmes, comme les explosions stellaires massives et les jets de trous noirs supermassifs, qui créent des neutrinos, cette approche a aidé les astronomes à localiser les sources distantes et chaque messager supplémentaire fournit des indices supplémentaires sur les détails des phénomènes.

detections icecube

Dernière décennie d’événements enregistrés par IceCube et l’observatoire Fermi pour toutes les saveurs de neutrinos et les rayons gamma. Un excès de neutrinos inférieur à 100 TeV est bien présent. Crédits : Kohta Murase et al. 2020

Pour les neutrinos cosmiques supérieurs à 100 TeV, des recherches antérieures du groupe Penn State ont montré qu’il était possible d’avoir une concordance avec les rayons gamma à haute énergie et les rayons cosmiques à ultra-haute énergie qui correspond à une image multimessager. Cependant, il existe de plus en plus de preuves d’un excès de neutrinos en dessous de 100 TeV, ce qui ne peut pas être simplement expliqué. Très récemment, l’Observatoire des neutrinos IceCube a signalé un autre excès de neutrinos de haute énergie en direction de l’une des galaxies actives les plus brillantes, connue sous le nom de NGC 1068.

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« 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 les rayons gamma de haute énergie, et le budget énergétique des neutrinos libérés dans l’Univers est étonnamment élevé », indique Murase.

« Les meilleurs candidats pour ce type de source ont des environnements denses, où les rayons gamma seraient bloqués par leur les interactions avec le rayonnement et la matière, mais les neutrinos peuvent facilement s’échapper. Notre nouveau modèle montre que les systèmes de trous noirs supermassifs sont des sites prometteurs et le modèle peut expliquer les neutrinos en dessous de 100 TeV avec des exigences énergétiques modestes ».

Couronne des trous noirs supermassifs : elle serait à l’origine des neutrinos détectés

Le nouveau modèle suggère que la couronne — le plasma super-chaud qui entoure les étoiles et autres corps célestes — autour des trous noirs supermassifs trouvés au cœur des galaxies, pourrait être une telle source. Analogue à la couronne vue sur une image du Soleil lors d’une éclipse solaire, les astrophysiciens pensent que les trous noirs ont une couronne au-dessus de leur disque rotatif de matière, connu sous le nom de disque d’accrétion, qui se forme autour du trou noir par son influence gravitationnelle.

Sur le même sujet : La détection de neutrinos solaires particuliers confirmerait l’une des prédictions majeures sur la dynamique des étoiles

modele couronne

Schéma du modèle de la couronne. Les protons sont accélérés par les turbulences plasmatiques générées dans la couronne, qui produit des neutrinos de haute énergie et des rayons gamma diminués via les interactions avec la matière et le rayonnement. Crédits : Kohta Murase et al. 2020

Cette couronne est extrêmement chaude (avec une température d’environ un milliard de degrés Kelvin), magnétisée et turbulente. Dans cet environnement, les particules peuvent être accélérées, ce qui conduit à des collisions de particules qui créeraient des neutrinos et des rayons gamma, mais l’environnement est suffisamment dense pour empêcher la fuite de rayons gamma de haute énergie.

« Le modèle prédit également les équivalents électromagnétiques des sources de neutrinos dans les 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 diminués vers des énergies plus faibles et diffusés sous forme de rayons gamma mous dans la gamme des mégaélectrons volts. Mais pour la plupart des rayons gamma existants,  les détecteurs, comme le télescope spatial à rayons gamma Fermi, ne sont pas réglés pour les détecter ».

Il existe des projets en cours de développement qui sont spécifiquement conçus pour explorer de telles émissions de rayons gamma mous provenant de l’espace. De plus, les détecteurs de neutrinos à venir, KM3Net en mer Méditerranée et IceCube-Gen2 en Antarctique seront plus sensibles aux sources. Les cibles prometteuses comprennent le NGC 1068 dans le ciel du nord, pour lequel l’émission de neutrinos en excès a été signalée, et plusieurs des galaxies actives les plus brillantes du ciel du sud.

Sources : Physical Review Letters

couronne neutrinos

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