Il y a environ quatre milliards d'années, alors que la planète Terre en était encore à ses balbutiements, l'axe d'un trou noir environ un milliard de fois plus massif que le soleil indiquait exactement où notre planète allait être le 22 septembre 2017.
Le long de l'axe, un jet de particules de haute énergie a envoyé des photons et des neutrinos dans notre direction à une vitesse proche de celle de la lumière. L’observatoire IceCube Neutrino au pôle Sud a détecté l’une de ces particules subatomiques - le neutrino IceCube-170922A - et l’a retracé jusqu’à une petite partie du ciel dans la constellation d’Orion et a repéré la source cosmique: un trou noir éclatant de la taille d’un milliard. soleils, à 3, 7 milliards d'années lumière de la Terre, connus sous le nom de blazar TXS 0506 + 056. Les blazars sont connus depuis un certain temps. Ce qui n'était pas clair, c'est qu'ils pourraient produire des neutrinos de haute énergie. Encore plus excitant, de tels neutrinos n’avaient jamais été retrouvés jusqu’à sa source.
La découverte de la source cosmique de neutrinos de haute énergie pour la première fois, annoncée le 12 juillet 2018 par la National Science Foundation, marque le début d'une nouvelle ère de l'astronomie des neutrinos. La découverte d’IceCube marque la conclusion triomphante d’une longue et difficile campagne menée par plusieurs centaines de scientifiques et d’ingénieurs - depuis 1976, date à laquelle des physiciens pionniers ont tenté pour la première fois de construire un détecteur de neutrinos de haute énergie à grande échelle au large de la côte hawaïenne. simultanément la naissance d'une branche complètement nouvelle de l'astronomie.
La constellation d'Orion, avec une bulle sur l'emplacement du blazar. (Silvia Bravo Gallart / Project_WIPAC_Communications, CC BY-ND) La détection de deux messagers astronomiques distincts - les neutrinos et la lumière - montre de manière convaincante comment l'astronomie dite multimessenger peut fournir le levier nécessaire pour identifier et comprendre certains des phénomènes les plus énergétiques de l'univers. Depuis sa découverte en tant que source de neutrinos il y a moins d'un an, le blazar TXS 0506 + 056 a fait l'objet d'un examen approfondi. Son flux de neutrinos associé continue de fournir des informations approfondies sur les processus physiques au travail près du trou noir et son puissant jet de particules et de radiations, rayonnant presque directement vers la Terre depuis son emplacement juste à côté de l'épaule d'Orion.
En tant que trois scientifiques faisant partie d'une équipe mondiale de physiciens et d'astronomes impliqués dans cette découverte remarquable, nous avons été amenés à participer à cette expérience pour son audace absolue, pour le défi physique et émotionnel de travailler de longues périodes dans un endroit brutalement froid tout en y insérant des équipement sensible dans des trous forés 1, 5 miles de profondeur dans la glace et le tout fonctionne. Et, bien sûr, pour la formidable opportunité d’être le premier à regarder un tout nouveau type de télescope et à voir ce qu’il révèle sur le ciel.
**********
À une altitude supérieure à 9 000 pieds et avec des températures moyennes estivales dépassant rarement les -30 degrés Celsius, le pôle Sud ne vous semblera peut-être pas l'endroit idéal pour faire quoi que ce soit, mis à part vous vanter de visiter un endroit aussi ensoleillé et lumineux que vous avez besoin de crème solaire pour vos narines. D'autre part, une fois que vous vous rendez compte que l'altitude est due à une épaisse couche de glace ultrapure constituée de plusieurs centaines de milliers d'années de neige immaculée et que les basses températures l'ont bien gardé, il ne vous surprendra peut-être pas pour le neutrino. constructeurs de télescopes, les avantages scientifiques l'emportent sur l'environnement hostile. Le pôle Sud abrite à présent le plus grand détecteur de neutrinos au monde, IceCube.
Mars 2015: le laboratoire IceCube de la station Amundsen-Scott South Pole, en Antarctique, héberge les ordinateurs qui collectent les données brutes du détecteur. En raison des allocations de bande passante des satellites, le premier niveau de reconstruction et de filtrage des événements se déroule en temps quasi réel dans ce laboratoire. (Erik Beiser, IceCube / NSF) Il peut sembler étrange que nous ayons besoin d’un détecteur aussi élaboré, étant donné qu’environ 100 milliards de ces particules fondamentales traversent chaque seconde votre vignette et glissent sans effort sur toute la Terre sans interagir avec un seul atome terrestre.
En fait, les neutrinos sont les deuxièmes particules les plus omniprésentes, derrière les photons de fond à hyperfréquences cosmiques laissés par le Big Bang. Ils comprennent un quart des particules fondamentales connues. Cependant, comme ils n’interagissent presque pas avec d’autres matières, ils sont sans doute les moins bien compris.
Pour attraper une poignée de ces particules insaisissables et en découvrir les sources, les physiciens ont besoin de détecteurs de grande taille, d'une largeur d'un kilomètre, composés d'un matériau optiquement transparent, comme la glace. Heureusement, Mère Nature a fourni cette dalle immaculée de glace claire où nous avons pu construire notre détecteur.
L'observatoire IceCube Neutrino instrumentalise un volume d'environ un kilomètre cube de glace antarctique transparente avec 5 160 modules optiques numériques (DOM) à des profondeurs comprises entre 1 450 et 2 450 mètres. L'observatoire comprend un sous-détecteur à instrumentation dense, DeepCore, et un réseau de douches à air de surface, IceTop. (Felipe Pedreros, IceCube / NSF) Au pôle Sud, plusieurs centaines de scientifiques et d'ingénieurs ont construit et déployé plus de 5 000 photodétecteurs individuels dans 86 trous séparés d'une profondeur d'un kilomètre et demi fondus dans la calotte polaire à l'aide d'un foret à eau chaude spécialement conçu à cet effet. Au cours de sept saisons d'été austral, nous avons installé tous les capteurs. La baie de stockage IceCube a été entièrement installée au début de 2011 et prend des données en continu depuis.
Cette gamme de détecteurs liés à la glace peut détecter avec une grande précision lorsqu'un neutrino vole et interagit avec quelques particules terrestres générant une faible luminosité bleue cherenkov, émise lorsque des particules chargées se déplacent dans un milieu comme la glace à une vitesse proche de la vitesse de la lumière.
**********
Le talon d’Achille des détecteurs de neutrinos est que d’autres particules, provenant de l’atmosphère proche, peuvent également déclencher ces motifs de lumière bleuâtre Tcherenkov. Pour éliminer ces faux signaux, les détecteurs sont enfouis profondément dans la glace afin de filtrer les interférences avant qu'elles puissent atteindre le détecteur sensible. IceCube doit faire face à une attaque de quelque 2 500 particules de ce type à la seconde, mais chacune d’elles aurait vraisemblablement été causée par un neutrino.
Avec le taux prévu d'interactions réelles et intéressantes entre neutrinos astrophysiques (comme les neutrinos entrants provenant d'un trou noir) oscillant autour de une par mois, nous avons été confrontés à un énorme problème d'aiguille dans une botte de foin.
La stratégie IceCube consiste à ne regarder que les événements ayant une énergie telle qu'il est extrêmement improbable qu'ils soient d'origine atmosphérique. Grâce à ces critères de sélection et à plusieurs années de données, IceCube a découvert les neutrinos astrophysiques qu’il cherchait depuis longtemps, mais il n’a pu identifier aucune source individuelle - telles que des noyaux galactiques actifs ou des sursauts gamma - parmi les dizaines de neutrinos de haute énergie qu’il représente. avait capturé.
Pour éliminer les sources réelles, IceCube a commencé à diffuser des alertes d'arrivée de neutrinos en avril 2016 avec l'aide du réseau d'observatoires d'astrophysiques multimessagers à Penn State. Au cours des 16 prochains mois, 11 alertes de neutrinos IceCube-AMON ont été diffusées via AMON et le réseau de coordonnées gamma, quelques minutes ou quelques secondes seulement après leur détection au pôle Sud.
Le 22 septembre 2017, IceCube a alerté la communauté astronomique internationale sur la détection d'un neutrino de haute énergie. Une vingtaine d'observatoires sur Terre et dans l'espace ont effectué des observations de suivi, qui ont permis d'identifier ce que les scientifiques considèrent comme une source de neutrinos à très haute énergie et, par conséquent, de rayons cosmiques. Outre les neutrinos, les observations effectuées sur le spectre électromagnétique comprenaient des rayons gamma, des rayons X et des rayonnements optiques et radio. Ces observatoires sont gérés par des équipes internationales composées de plus de 1 000 scientifiques soutenus par des agences de financement dans des pays du monde entier. (Nicolle R. Fuller / NSF / IceCube) **********
Les alertes ont déclenché une séquence automatisée d'observations aux rayons X et ultraviolets avec l'observatoire Neil Gehrels Swift de la NASA et ont conduit à de nouvelles études avec le télescope spatial Fermi Gamma-Ray et le réseau de télescopes de spectroscopie nucléaire de la NASA, ainsi que 13 autres observatoires dans le monde.
Swift a été la première installation à identifier le blazar torse TXX 0506 + 056 comme source possible de l’événement neutrino. Le journal Fermi Large Area Telescopethen a indiqué que le blazar était dans un état brûlant, émettant beaucoup plus de rayons gamma que par le passé. À mesure que la nouvelle se propageait, d'autres observatoires ont suivi le mouvement avec enthousiasme et un large éventail d'observations s'est ensuivi. Le télescope terrestre MAGIC a révélé que notre neutrino provenait d'une région produisant des rayons gamma de très haute énergie (chacun environ dix millions de fois plus qu'un rayon X), la première fois qu'une telle coïncidence a été observée. D'autres observations optiques ont complété le puzzle en mesurant la distance au blazar TXS 0506 + 056: environ quatre milliards d'années-lumière de la Terre.
Avec la toute première identification d'une source cosmique de neutrinos de haute énergie, une nouvelle branche de l'arbre d'astronomie a germé. À mesure que l'astronomie des neutrinos à haute énergie se développe avec plus de données, une coordination interobservatoire améliorée et des détecteurs plus sensibles, nous pourrons cartographier le ciel des neutrinos avec une précision toujours meilleure.
Et nous nous attendons à de nouvelles percées dans notre compréhension de l'univers, comme par exemple: résoudre le mystère séculaire de l'origine des rayons cosmiques d'une énergie étonnante; tester si l'espace-temps lui-même est mousseux, avec des fluctuations quantiques à de très petites échelles de distance, comme le prédisent certaines théories de la gravité quantique; et de comprendre exactement comment les accélérateurs cosmiques, comme ceux situés autour du trou noir TXS 0506 + 056, parviennent à accélérer les particules à des énergies aussi époustouflantes.
Pendant 20 ans, la collaboration IceCube rêvait d’identifier les sources de neutrinos cosmiques de haute énergie - et ce rêve est maintenant une réalité.
Cet article a été publié à l'origine sur The Conversation.
Doug Cowen, professeur de physique et professeur d'astronomie et d'astrophysique à la Pennsylvania State University
Azadeh Keivani, chargée de recherche aux frontières des sciences, Université Columbia
Derek Fox, professeur associé d'astronomie et d'astrophysique à la Pennsylvania State University
