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Nous pouvons enfin savoir d'où proviennent les «particules fantômes» qui nous entourent

2020

Les particules fantômes, autrement connues sous le nom de neutrinos, sont littéralement partout: des milliards de particules, chacune d'elles n'ayant pratiquement aucune masse, traversent actuellement votre corps. Mais nous comprenons très peu sur le fonctionnement de ces particules. C'est une honte absolue, car ils pourraient être la clé pour expliquer certains des plus grands mystères de l'univers, y compris la raison pour laquelle il existe un univers.

Nous venons de faire un grand pas en avant pour répondre à ces questions. Dans une série de nouveaux articles publiés jeudi dans Science, une équipe de recherche internationale composée de centaines de personnes a annoncé avoir découvert des preuves des origines de ces minuscules particules insaisissables: des galaxies géantes de forme ovale appelées blazars. Les résultats ont permis de résoudre plus d'un siècle de travail en repérant ce qui pousse les particules subatomiques telles que les neutrinos en tant que rayons cosmiques de haute énergie dans l'espace.

«Nous observons des neutrinos cosmiques depuis 2013», explique Francis Halzen, physicien à l'Université de Wisconsin-Madison et scientifique principal de l'observatoire IceCube Neutrino, à l'origine des nouvelles découvertes. "Nous n'avions aucune idée d'où ils venaient."

La clé de cette dernière découverte consistait à essayer de comprendre à quels autres événements de haute énergie les neutrinos pourraient être associés. C'est là qu'intervient l'astronomie multi-messagers: l'étude d'événements astrophysiques à travers plusieurs signaux différents. Par exemple, si vous vouliez apprendre le plus possible sur une explosion de dynamite, vous ne feriez pas simplement un enregistrement avec votre téléphone. Vous souhaitez effectuer des observations dans différentes longueurs d'onde de la lumière, effectuer des enregistrements audio, etc. En astronomie, le terme multi-messager consiste à observer des signaux relatifs au rayonnement électromagnétique, aux ondes gravitationnelles, aux neutrinos et aux rayons cosmiques.

«Les neutrinos rappellent leurs sources», explique Halzen, «et nous avons donc essayé d'associer leurs directions d'arrivée à des sources connues, y compris des blazers. Cela n'a pas réussi jusqu'à ce que nous commencions cette campagne multi-messenger. ”

IceCube, un télescope de la taille d'un kilomètre situé sous un mile de glace dans le pôle sud, fonctionne depuis 2011 et utilise ses plusieurs milliers de capteurs pour observer près de 100 000 neutrinos par an. Son but explicite est de trouver des neutrinos, proches ou lointains (et dans le cas de cette dernière observation, très loin). C'est un observatoire puissant pour le suivi des particules élémentaires, mais si nous essayons de connecter des neutrinos à d'autres signaux afin de trouver le point d'origine, nous devons nous tourner vers d'autres instruments d'aide.

IceCube est équipé d'un système d'alerte qui se déclenche lorsqu'il détecte des neutrinos de très haute énergie. Ce système d'alerte transmet les coordonnées à d'autres télescopes du monde entier et leur demande de faire des observations de suivi.

Pour cette enquête, IceCube a découvert un événement de neutrinos extrêmement intense le 22 septembre 2017. Le télescope spatial à rayons gamma Fermi en orbite autour de la NASA et le grand télescope Chermakov à imagerie gamma atmosphérique des îles Canaries ont été mis en alerte et ont fini par détecter une énergie élevée. Les rayons gamma provenant d'une galaxie appelée TXS 0506 + 056, un blazar, se situent à environ 4 milliards d'années-lumière de la Terre, à l'angle de l'angle supérieur gauche d'Orion. L’activité des rayons gamma, parmi les plus fortes jamais détectées par Fermi à partir de cette source, s’aligne incroyablement bien avec les coordonnées de neutrinos envoyées par IceCube.

Bien que les blazars ne soient pas la source attendue pour les neutrinos, ils ont un sens lorsque vous réalisez à quel point ils portent ce nom qui sonne à la perfection. "Dans les galaxies actives, le trou noir supermassif alimente deux jets massifs, qui sortent de la galaxie et transportent des particules de haute énergie et des champs de rayonnement et magnétiques puissants", explique Marcos Santander, physicien et astronome à l'université d'Alabama et coauteur de les nouvelles études. "Les blazars sont une sorte de galaxie active dans laquelle l'un de ces jets est orienté vers la ligne de visée de la Terre, ce qui signifie que nous regardons le jet" dans le canon du canon "." Cet alignement nous permet de observez des radiations très énergétiques réparties sur tout le spectre électromagnétique, des ondes radio à la lumière visible, en passant par les rayons gamma - énergies qui, pour les blazars, atteignent un maximum de 10 trillions de fois l’énergie de la lumière visible. "Les fortes ondes de choc le long du jet Blazar contiennent des particules de haute énergie capables de produire des rayons gamma et peuvent accélérer les rayons cosmiques", explique-t-il.

Ces jets sont responsables de l’accélération des rayons cosmiques, composés principalement de protons. Lorsque les protons interagissent avec les photons et l'hydrogène du blazar ou du jet du trou noir, ils produisent des neutrinos. "Ainsi, les neutrinos suivent les rayons cosmiques, dit Halzen. Ils sont attachés à la hanche."

Si nous comprenons que les neutrinos sont produits à côté des rayons cosmiques, cela signifie qu'ils doivent avoir la même source d'origine que les rayons cosmiques eux-mêmes. «Bien que les rayons cosmiques que nous détectons ne renvoient pas à leurs sources, car les charges magnétiques et leur chemin sont déformés par les champs magnétiques, les neutrinos renvoient au site où ils ont été créés», explique Halzen. "Les neutrinos nous ont permis de localiser cette source avec une vingtaine d'autres télescopes."

C’était donc la première preuve dont l’équipe avait besoin. Une fois qu’ils savaient que le 22 septembre, TXS 0506 + 056 était à la source de la détection des neutrinos, les chercheurs se sont penchés sur environ 10 années de données archivistiques. Ils ont découvert des sursauts de neutrinos de haute énergie qui coïncidaient avec plus d’une douzaine de torchères émanant de cette source dans courte durée en 2014 et 2015 seulement. C'était la deuxième preuve. «Cela a tout arrangé», dit Halzen.

Il y a bien sûr des raisons d'être prudent sur les résultats. Les blazars ont longtemps été une source potentielle d'émissions de neutrinos, mais les études précédentes essayant de lier les neutrinos aux blazars ont été vaines. On ne voit pas très bien pourquoi TXS 0506 + 056 - qui n'est même pas le plus brillant des blazars à rayons gamma connus - a fait l'affaire alors que d'autres ne le pouvaient pas. Les Blazars ne peuvent pas encore être étiquetés en gros comme des usines à neutrinos.

«Je ne pense pas non plus que nous soyons en mesure de dire que tout est blazars», déclare le physicien de l'Université du Maryland, Erik Blaufuss, un autre coauteur des journaux. «Je pense qu'il est difficile de tirer trop de conclusions sur tous les blazers à partir d'un échantillon. Je pense qu'il reste encore à déterminer si cette source est spéciale ou si elle est la première à «sortir sa tête de l'herbe» et à être assez brillante dans les neutrinos pour que nous puissions la voir. »

Si une action à haute énergie est essentielle pour expliquer pourquoi les blazars émettent des neutrinos, nous devrions voir assez facilement les résultats similaires résultant d'observations ou de galaxies étoilées et de sursauts gamma. Sinon, cela signifie qu'il y a quelque chose de beaucoup plus spécifique et excentrique avec les blazars que nous connaissons actuellement.

Et même si nous nous concentrons uniquement sur ce blazar, «ce n’est pas non plus une découverte en plaqué or», dit Blaufuss. Les scientifiques utilisent généralement un seuil de 5 sigma pour qualifier quelque chose de "découverte". Selon Blaufuss, les analyses de ces deux derniers articles sont des 3-sigma, ce qui signifie des "preuves", mais pas nécessairement des découvertes. Un niveau de 3 sigma signifie toujours que vous pouvez permettre une confiance assez élevée. Les résultats ne sont pas dus au hasard, mais en ce qui concerne la physique des particules, ce type de chance peut toujours créer des sentiments méfiants. Il est préférable d’accueillir les nouvelles découvertes avec un enthousiasme prudent.

Pour le moment, l’équipe profite également de ses efforts pour finalement porter ses fruits. "Faire une percée sur l'un des plus anciens problèmes en suspens en astronomie est passionnant", déclare Halzen. «C’est pour cela que IceCube a été conçu. Le fait que notre première source soit un blazar était quelque peu surprenant, mais on ne peut pas contester avec des faits. "

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