Un énorme télescope construit sous la glace du pôle Sud a détecté pour la première fois des neutrinos provenant de notre galaxie, la Voie lactée. Cette découverte confirme un phénomène attendu depuis des années et implique qu’il existe dans notre voisinage cosmique des corps inconnus capables de produire les particules les plus énergétiques de l’univers.
Les neutrinos sont les particules les plus abondantes du cosmos. Chaque seconde, environ 100 000 milliards d’entre eux traversent notre corps sans que nous nous en rendions compte. Ces particules fantomatiques n’ont pas de charge électrique et presque pas de masse. La grande majorité des neutrinos traverse la Terre de part en part sans laisser de trace. Mais quelques-uns interagissent avec un atome et produisent un flash de lumière bleue qui permet de déterminer leur origine.
Le télescope IceCube est une masse de glace antarctique d’un kilomètre cube dans laquelle sont intégrés plus de 5 000 détecteurs sphériques capables de capturer les flashs laissés par les neutrinos dans leur sillage. En 2013, l’observatoire a découvert les deux premiers neutrinos provenant de l’extérieur de notre galaxie. Ils ont été baptisés Epi et Blas et ont inauguré une nouvelle ère de l’astronomie, bien que leur provenance exacte n’ait pu être déterminée.
En 2017 et 2022, quelques dizaines de neutrinos supplémentaires ont été piégés et ont permis d’identifier les deux premières sources en dehors de notre galaxie : deux trous noirs pouvant contenir des millions d’étoiles comme le Soleil. Dans le premier cas, les neutrinos avaient voyagé à une vitesse proche de celle de la lumière pendant plus de 4 milliards d’années depuis la galaxie lointaine TXS 0506+065. Dans le second cas, ils provenaient de Messier 77, une galaxie située à juste 47 millions d’années-lumière de notre système solaire.
Les neutrinos sont associés aux rayons cosmiques – des faisceaux de particules chargées qui sont les plus énergétiques de l’univers. En 1993, un télescope situé dans l’Utah (États-Unis) a capturé la particule la plus puissante connue. Elle s’est déplacée à une vitesse proche de celle de la lumière et son énergie était des millions de fois supérieure à celle de l’accélérateur de particules le plus puissant du monde, le LHC. D’abord appelé signal WTF, il a finalement été baptisé OMG (Oh, mon Dieu). Les astrophysiciens utilisent de grands détecteurs de neutrinos pour tenter de découvrir l’origine des rayons cosmiques.
A cette occasion, IceCube a découvert des centaines de neutrinos arrivant du centre de notre galaxie, à quelque 25 000 années-lumière, avec une énergie 10 000 fois supérieure à celle d’un accélérateur de particules. Ignacio Taboadaporte-parole du télescope IceCube. « Découvrir ces neutrinos galactiques devrait être la chose la plus facile à faire, mais il s’avère que la Voie lactée n’en produit pas beaucoup. Nous avons finalement réussi à les attraper et nous savons donc qu’il existe également des objets dans notre environnement cosmique qui sont capables de les produire », explique M. Taboada, un chercheur d’origine vénézuélienne qui a travaillé à l’Institut de recherche de l’Union européenne. IceCube depuis sa construction en 2010. La découverte est publiée aujourd’hui dans la revue Scienceune référence de la meilleure science au monde.
La masse de IceCube est situé sous la base américaine Amundsen-Scott au pôle Sud, où la température moyenne est de moins 50 degrés Celsius. Pendant l’hiver antarctique, qui dure six mois et pendant lequel il fait toujours nuit, seules deux personnes restent à la base pour maintenir la température à un niveau acceptable. IceCube en fonctionnement. Pendant ce temps, une équipe de plus de 300 scientifiques de plus de 12 pays peut accéder aux données en temps réel.
Pour la découverte d’aujourd’hui, une intelligence artificielle a été développée qui a analysé un trillion de signaux de neutrinos capturés entre 2011 et 2022, et a sélectionné les quelques centaines qui proviennent de la Voie lactée. Juanan Aguilar, physicien physicien des astroparticules d’Albacete qui fait partie de l’équipe de IceCubeprécise que « par le passé, des modèles statistiques moins précis étaient utilisés pour analyser les signaux captés par le télescope ». De nouveaux outils basés sur des réseaux neuronaux permettent de nettoyer le bruit produit par les autres particules et de ne garder que « les signaux provenant de l’intérieur de la galaxie ».
La Voie lactée a la forme d’une spirale aplatie, comme un biscuit, et les signaux semblent venir directement du bord. Les données de IceCube montrent qu’il existe une sorte de nuage diffus de neutrinos qui s’étend à travers le centre galactique. En outre, il pourrait y avoir une ou plusieurs sources ponctuelles de neutrinos. Il est possible que l’une d’entre elles soit Sagittarius A*, un trou noir d’une masse équivalente à quatre millions d’étoiles semblables au Soleil, situé en plein centre de la galaxie. Il est également possible que d’autres objets inconnus produisent des rayons cosmiques et des neutrinos, comme un trou noir qui avalerait une étoile proche.
« La découverte de IceCube révèle qu’il doit y avoir dans notre propre galaxie d’énormes accélérateurs de particules » comparables à ceux détectés précédemment dans d’autres galaxies plus ou moins lointaines, résume-t-il. Francisco Salesascientifique à l’Institut de physique corpusculaire de Valence. Au début du mois, le détecteur de neutrinos Antares, situé sous la mer Méditerranée au large de Toulon (France), a capté un signal de neutrinos galactiques. « La fiabilité de ce signal était de deux sigma, c’est-à-dire qu’il y avait une chance sur 100 que le signal soit une erreur », explique M. Salesa. « L’observation de IceCube a 4,5 sigma, soit une chance d’erreur sur 10 millions ». C’est beaucoup plus fiable, mais ce n’est pas suffisant pour prétendre à une découverte, qui nécessite cinq sigma, soit une chance sur 3,5 millions.
Une course mondiale à l’identification de l’origine des neutrinos galactiques est lancée. IceCubepiloté principalement par les Etats-Unis, continuera à fonctionner pendant plusieurs années et pourrait réussir. Mais le fait d’être dans l’hémisphère sud signifie que le centre de la galaxie se trouve juste au-dessus de lui, ce qui introduit beaucoup de bruit causé par d’autres particules élémentaires produites dans l’atmosphère, le soleil et d’autres objets. KM3Net, un nouveau télescope sous-marin, est actuellement en construction en Méditerranée avec deux sites, Arca et Orca, situés près de Toulon et de la Sicile (Italie). Situé dans l’hémisphère nord, il sera filtré par la Terre et sera théoriquement beaucoup mieux à même de déterminer l’origine des insaisissables neutrinos galactiques.
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