L'origine des neutrinos cosmiques de haute énergie observés par l'Observatoire de neutrinos IceCube, dont le détecteur est enfoui profondément dans les glaces de l'Antarctique, est une énigme qui a laissé perplexes physiciens et astronomes. Un nouveau modèle pourrait aider à expliquer le flux étonnamment important de certains de ces neutrinos inféré par les données récentes sur les neutrinos et les rayons gamma. Un article de chercheurs de Penn State décrivant le modèle, qui pointe vers les trous noirs supermassifs trouvés au cœur des galaxies actives comme sources de ces mystérieux neutrinos, paraît le 30 juin, 2020 dans la revue Lettres d'examen physique .

"Les neutrinos sont des particules subatomiques si minuscules que leur masse est presque nulle et ils interagissent rarement avec d'autres matières, " dit Kohta Murase, professeur adjoint de physique et d'astronomie et d'astrophysique à Penn State et membre du Center for Multimessenger Astrophysics de l'Institute for Gravitation and the Cosmos (IGC), qui a dirigé la recherche. "Les neutrinos cosmiques de haute énergie sont créés par des accélérateurs de rayons cosmiques énergétiques dans l'univers, qui peuvent être des objets astrophysiques extrêmes tels que des trous noirs et des étoiles à neutrons. Ils doivent être accompagnés de rayons gamma ou d'ondes électromagnétiques à plus basse énergie, et même parfois des ondes gravitationnelles. Donc, nous nous attendons à ce que les niveaux de ces divers « messagers cosmiques » que nous observons soient liés. De façon intéressante, les données IceCube ont indiqué une émission excessive de neutrinos avec des énergies inférieures à 100 téraélectron-volt (TeV), par rapport au niveau des rayons gamma de haute énergie correspondants observés par le télescope spatial à rayons gamma Fermi. »

Les scientifiques combinent les informations de tous ces messagers cosmiques pour en savoir plus sur les événements de l'univers et pour reconstruire son évolution dans le domaine en plein essor de "l'astrophysique multi-messagers". Pour les événements cosmiques extrêmes, comme des explosions stellaires massives et des jets de trous noirs supermassifs, qui créent des neutrinos, cette approche a aidé les astronomes à localiser les sources distantes et chaque messager supplémentaire fournit des indices supplémentaires sur les détails des phénomènes.

Pour les neutrinos cosmiques supérieurs à 100 TeV, des recherches antérieures du groupe Penn State ont montré qu'il est possible d'avoir une concordance avec les rayons gamma à haute énergie et les rayons cosmiques à ultra haute énergie qui correspond à une image multimessager. Cependant, il existe de plus en plus de preuves d'un excès de neutrinos inférieur à 100 TeV, qui ne s'explique pas simplement. Très récemment, l'observatoire de neutrinos IceCube a signalé un autre excès de neutrinos de haute énergie dans la direction de l'une des galaxies actives les plus brillantes, connu sous le nom de NGC 1068, dans le ciel du nord.

"Nous savons que les sources de neutrinos de haute énergie doivent aussi créer des rayons gamma, donc la question est :où sont ces rayons gamma manquants ? », a déclaré Murase. « Les sources sont en quelque sorte cachées à notre vue dans les rayons gamma de haute énergie, et le bilan énergétique des neutrinos libérés dans l'univers est étonnamment important. Les meilleurs candidats pour ce type de source ont des environnements denses, où les rayons gamma seraient bloqués par leurs interactions avec le rayonnement et la matière, mais les neutrinos peuvent facilement s'échapper. Notre nouveau modèle montre que les systèmes de trous noirs supermassifs sont des sites prometteurs et le modèle peut expliquer les neutrinos inférieurs à 100 TeV avec des besoins énergétiques modestes. »

Le nouveau modèle suggère que la couronne - l'aura de plasma super chaud qui entoure les étoiles et autres corps célestes - autour des trous noirs supermassifs trouvés au cœur des galaxies, pourrait être une telle source. Analogue à la couronne vue sur une photo du Soleil lors d'une éclipse solaire, les astrophysiciens pensent que les trous noirs ont une couronne au-dessus du disque de matière en rotation, connu sous le nom de disque d'accrétion, qui se forme autour du trou noir par son influence gravitationnelle. Cette couronne est extrêmement chaude (avec une température d'environ un milliard de degrés kelvin), magnétisé, et turbulent. Dans cet environnement, les particules peuvent être accélérées, ce qui conduit à des collisions de particules qui créeraient des neutrinos et des rayons gamma, mais l'environnement est suffisamment dense pour empêcher la fuite de rayons gamma de haute énergie.

"Le modèle prédit également les contreparties électromagnétiques des sources de neutrinos dans les rayons gamma " mous " au lieu des rayons gamma de haute énergie, " a déclaré Murase. " Les rayons gamma de haute énergie seraient bloqués, mais ce n'est pas la fin de l'histoire. Ils finiraient par être cascadés à des énergies plus basses et libérés sous forme de rayons gamma « mous » dans la gamme des mégaélectrons-volts, mais la plupart des détecteurs de rayons gamma existants, comme le télescope spatial Fermi à rayons gamma, ne sont pas réglés pour les détecter."

Il existe des projets en cours de développement qui sont conçus spécifiquement pour explorer une telle émission de rayons gamma mous depuis l'espace. Par ailleurs, détecteurs de neutrinos à venir et de prochaine génération, KM3Net en Méditerranée et IceCube-Gen2 en Antarctique seront plus sensibles aux sources. Les cibles prometteuses incluent NGC 1068 dans le ciel du nord, pour laquelle l'émission de neutrinos excédentaire a été signalée, et plusieurs des galaxies actives les plus brillantes du ciel austral.

"Ces nouveaux détecteurs de rayons gamma et de neutrinos permettront des recherches plus approfondies sur les émissions multimessagers des couronnes de trous noirs supermassifs, " a déclaré Murase. " Cela permettra d'examiner de manière critique si ces sources sont responsables du flux important de neutrinos de niveau d'énergie moyen observé par IceCube, comme le prédit notre modèle. "