Les données recueillies par un observatoire en Antarctique ont produit notre première vue de la galaxie de la Voie lactée à travers la lentille des particules de neutrinos. C’est la première fois que nous voyons notre galaxie “peinte” avec une particule, plutôt que dans différentes longueurs d’onde de lumière.
Le résultat, publié dans Science, offre aux chercheurs une nouvelle fenêtre sur le cosmos. On pense que les neutrinos sont produits, en partie, par des particules chargées de haute énergie appelées rayons cosmiques entrant en collision avec d’autres matières. En raison des limites de notre équipement de détection, nous ignorons encore beaucoup de choses sur les rayons cosmiques. Les neutrinos sont donc une autre façon de les étudier.
On a émis l’hypothèse depuis l’Antiquité que la Voie lactée que nous voyons se cambrer dans le ciel nocturne se compose d’étoiles comme notre Soleil. Au 18ème siècle, il a été reconnu comme une dalle aplatie d’étoiles que nous observons de l’intérieur. Cela fait seulement 100 ans que nous avons appris que la Voie lactée est en fait une galaxie, ou « univers insulaire », une parmi cent milliards d’autres.
En 1923, l’astronome américain Edwin Hubble a identifié un type d’étoile pulsante appelée « variable céphéide » dans ce qui était alors connu sous le nom de « nébuleuse » d’Andromède (un nuage géant de poussière et de gaz). Grâce aux travaux antérieurs d’Henrietta Swan Leavitt, cela a fourni une mesure de la distance de la Terre à Andromède.
Cela a démontré qu’Andromède est une galaxie lointaine comme la nôtre, réglant un débat de longue date et transformant complètement notre notion de notre place dans l’univers.
Ouverture des fenêtres
Par la suite, alors que de nouvelles fenêtres astronomiques se sont ouvertes sur le ciel, nous avons vu notre maison galactique dans de nombreuses longueurs d’onde de lumière différentes – dans les ondes radio, dans diverses bandes infrarouges, dans les rayons X et dans les rayons gamma. Maintenant, nous pouvons voir notre demeure cosmique dans les particules de neutrinos, qui ont une masse très faible et n’interagissent que très faiblement avec d’autres matières – d’où leur surnom de « particules fantômes ».
Les neutrinos sont émis par notre galaxie lorsque les rayons cosmiques entrent en collision avec la matière interstellaire. Cependant, les neutrinos sont également produits par des étoiles comme le Soleil, certaines étoiles qui explosent ou des supernovas, et probablement par la plupart des phénomènes de haute énergie que nous observons dans l’univers tels que les sursauts gamma et les quasars. Par conséquent, ils peuvent nous fournir une vue sans précédent des processus hautement énergétiques dans notre galaxie – une vue que nous ne pouvons pas obtenir en utilisant uniquement la lumière.
La nouvelle détection révolutionnaire a nécessité un «télescope» plutôt étrange qui est enfoui à plusieurs kilomètres de profondeur dans la calotte glaciaire de l’Antarctique, sous le pôle Sud. L’observatoire de neutrinos IceCube utilise une gigatonne de glace ultra-transparente sous d’énormes pressions pour détecter une forme d’énergie appelée rayonnement Cherenkov.
Ce faible rayonnement est émis par des particules chargées qui, dans la glace, peuvent voyager plus vite que la lumière (mais pas dans le vide). Les particules sont créées par des neutrinos entrants, qui proviennent de collisions de rayons cosmiques dans la galaxie, frappant les atomes dans la glace.
Les rayons cosmiques sont principalement des particules de protons (ceux-ci constituent le noyau atomique avec les neutrons), ainsi que quelques noyaux lourds et des électrons. Il y a environ un siècle, on a découvert que ceux-ci pleuvaient uniformément sur la Terre de toutes les directions. On ne connaît pas encore définitivement toutes leurs sources, car leurs sens de déplacement sont brouillés par les champs magnétiques qui existent dans l’espace entre les étoiles.
Au fond de la glace
Les neutrinos peuvent agir comme des traceurs uniques des interactions des rayons cosmiques au plus profond de la Voie lactée. Cependant, les particules fantomatiques sont également générées lorsque les rayons cosmiques frappent l’atmosphère terrestre. Les chercheurs utilisant les données d’IceCube avaient donc besoin d’un moyen de faire la distinction entre les neutrinos d’origine “astrophysique” – ceux provenant de sources extraterrestres – et ceux créés à partir de collisions de rayons cosmiques dans notre atmosphère.
Les chercheurs se sont concentrés sur un type d’interaction des neutrinos dans la glace appelée cascade. Celles-ci se traduisent par des gerbes de lumière à peu près sphériques et donnent aux chercheurs un meilleur niveau de sensibilité aux neutrinos astrophysiques de la Voie lactée. En effet, une cascade fournit une meilleure mesure de l’énergie d’un neutrino que d’autres types d’interactions, même si elles sont plus difficiles à reconstituer.
L’analyse de dix années de données IceCube à l’aide de techniques sophistiquées d’apprentissage automatique a produit près de 60 000 événements de neutrinos d’une énergie supérieure à 500 gigaélectronvolts (GeV). Parmi ceux-ci, seuls 7 % environ étaient d’origine astrophysique, le reste étant dû à la source « de fond » de neutrinos générés dans l’atmosphère terrestre.
L’hypothèse selon laquelle tous les événements de neutrinos pourraient être dus aux rayons cosmiques frappant l’atmosphère terrestre a été définitivement rejetée à un niveau de signification statistique connu sous le nom de 4,5 sigma. Autrement dit, notre résultat n’a qu’environ 1 chance sur 150 000 d’être un coup de chance.
Cela est un peu en deçà de la norme conventionnelle 5 sigma pour revendiquer une découverte en physique des particules. Cependant, une telle émission de la Voie lactée est attendue pour des raisons astrophysiques solides.
Avec le prochain agrandissement de l’expérience – IceCube-Gen2 sera dix fois plus grand – nous acquerrons beaucoup plus d’événements de neutrinos et l’image floue actuelle se transformera en une vue détaillée de notre galaxie, une que nous n’avons jamais eue auparavant.
