L'événement neutrino IceCube 170922A, détecté à l'observatoire de neutrinos IceCube au pôle Sud, semble provenir de la lointaine galaxie active TXS 0506+056, à une distance parcourue par la lumière de 3,8 milliards d'années-lumière. TXS 0506+056 est l'une des nombreuses galaxies actives et il est resté un mystère pourquoi et comment seule cette galaxie particulière a généré des neutrinos jusqu'à présent.

Une équipe internationale de chercheurs dirigée par Silke Britzen du Max Planck Institute for Radio Astronomy à Bonn, Allemagne, ont étudié les observations radio haute résolution de la source entre 2009 et 2018, avant et après l'événement neutrino. L'équipe propose que l'activité accrue des neutrinos au cours d'une éruption de neutrinos antérieure et le neutrino unique pourraient avoir été générés par une collision cosmique au sein de TXS 0506+056. Le choc de la matière du jet à proximité d'un trou noir supermassif semble avoir produit les neutrinos.

Les résultats sont publiés dans Astronomie &Astrophysique , 02 octobre 2019.

Le 12 juillet, 2018, la collaboration IceCube a annoncé la détection du premier neutrino de haute énergie, IceCube-170922A, qui pourrait être attribuée à une origine cosmique lointaine. Alors que l'origine cosmique des neutrinos était suspectée depuis longtemps, ce fut le premier neutrino de l'espace dont l'origine a pu être confirmée. La « maison » de ce neutrino est un noyau galactique actif (AGN) – une galaxie avec un trou noir supermassif comme moteur central. Une équipe internationale pourrait maintenant clarifier le mécanisme de production du neutrino et trouver un équivalent à un collisionneur sur Terre :une collision cosmique de matière projetée.

Les AGN sont les objets les plus énergétiques de notre Univers. Alimenté par un trou noir supermassif, de la matière s'accumule et des flux de plasma (appelés jets) sont lancés dans l'espace intergalactique. Les objets BL Lac forment une classe particulière de ces AGN, où le jet pointe directement vers nous et domine le rayonnement observé. L'événement neutrino IceCube-170922A semble provenir de l'objet BL Lac TXS 0506+056, une galaxie à un redshift de z=0.34, correspondant à une distance parcourue par la lumière de 3,8 milliards d'années-lumière. Une analyse des données d'archives IceCube par la collaboration IceCube avait révélé des preuves d'une activité accrue des neutrinos plus tôt, entre septembre 2014 et mars 2015.

D'autres objets BL Lac présentent des propriétés assez similaires à celles de TXS 0506+056. "C'était un peu un mystère, cependant, pourquoi seul TXS 0506+056 a été identifié comme émetteur de neutrinos, " explique Silke Britzen du Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR), l'auteur principal de l'article. "Nous voulions comprendre ce qui rend le TXS 0506+056 spécial, pour comprendre le processus de création de neutrinos et pour localiser le site d'émission et a étudié une série d'images radio à haute résolution du jet."

A leur grande surprise, les chercheurs ont découvert une interaction inattendue entre le matériau du jet dans TXS 0506+056. Alors que le jet plasma est généralement supposé s'écouler sans perturbation dans une sorte de canal, la situation semble différente dans TXS 0506+056. L'équipe propose que l'activité accrue des neutrinos pendant l'éruption de neutrinos en 2014-2015 et le neutrino EHE unique. IceCube-170922A pourrait avoir été généré par une collision cosmique au sein de la source.

Cette collision cosmique peut être expliquée par un nouveau matériau de jet s'écrasant sur un matériau de jet plus ancien. Une structure de jet fortement incurvée fournit la configuration appropriée pour un tel scénario. Une autre explication implique la collision de deux jets dans la même source. Dans les deux scénarios, c'est la collision de la matière projetée qui génère le neutrino. Markus Böttcher de la North-West University de Potchefstroom (Afrique du Sud), un co-auteur de l'article, ont effectué les calculs en ce qui concerne le rayonnement et l'émission de particules. « Cette collision de matériaux projetés est actuellement le seul mécanisme viable pouvant expliquer la détection de neutrinos à partir de cette source. Elle nous fournit également des informations importantes sur le matériau des jets et résout une question de longue date de savoir si les jets sont leptoniques, constitué d'électrons et de positons; ou hadronique, constitué d'électrons et de protons; ou une combinaison des deux. Au moins une partie du matériau du jet doit être hadronique, sinon, nous n'aurions pas détecté le neutrino."

Au cours de l'évolution cosmique de notre Univers, les collisions de galaxies semblent être un phénomène fréquent. En supposant que les deux galaxies contiennent des trous noirs supermassifs centraux, la collision galactique peut entraîner une paire de trous noirs au centre. Cette paire de trous noirs pourrait éventuellement fusionner et produire l'équivalent supermassif des fusions de trous noirs stellaires détectées dans les ondes gravitationnelles par la collaboration LIGO/Virgo.

Les AGN avec des trous noirs doubles à une petite séparation de seulement des années-lumière ont été recherchés pendant de nombreuses années. Cependant, ils semblent rares et difficiles à identifier. En plus de la collision de matériaux projetés, l'équipe a également trouvé des preuves d'une précession du jet central de TXS 0506+056. Selon Michal Zajaček du Centre de physique théorique, Varsovie :« Cette précession peut en général s'expliquer par la présence d'un binaire de trou noir supermassif ou par l'effet de précession Lense-Thirring tel que prédit par la théorie de la relativité générale d'Einstein. Ce dernier pourrait également être déclenché par une seconde, trou noir plus éloigné au centre. Les deux scénarios conduisent à une errance de la direction du jet, que nous observons."

Christian Fendt de l'Institut Max Planck d'Astronomie à Heidelberg est étonné :« Plus nous regardons de près les sources des jets, plus la structure interne et la dynamique des jets apparaissent compliquées. Alors que les trous noirs binaires produisent une structure d'écoulement plus complexe, leur existence est naturellement attendue des modèles cosmologiques de formation des galaxies par fusion de galaxies."

Silke Britzen souligne le potentiel scientifique des découvertes :« C'est fantastique de comprendre la génération de neutrinos en étudiant l'intérieur des jets. Et ce serait une percée si notre analyse avait fourni un autre candidat pour une source de jet de trou noir binaire avec deux jets.

Il semble que ce soit la première fois qu'une collision potentielle de deux jets à des échelles de quelques années-lumière soit signalée et que la détection d'un neutrino cosmique puisse être attribuée à une collision de jet cosmique.

Alors que TXS 0506+056 pourrait ne pas être représentatif de la classe des objets BL Lac, cette source pourrait fournir la configuration appropriée pour une interaction répétée de la matière projetée et la génération de neutrinos.