Pour la deuxième fois seulement, les astronomes ont lié une particule insaisissable appelée neutrino de haute énergie à un objet en dehors de notre galaxie. En utilisant des installations terrestres et spatiales, dont l'observatoire Neil Gehrels Swift de la NASA, ils ont tracé le neutrino jusqu'à un trou noir déchirant une étoile, un événement cataclysmique rare appelé événement de perturbation de la marée.

"Les astrophysiciens ont longtemps théorisé que les perturbations des marées pourraient produire des neutrinos de haute énergie, mais c'est la première fois que nous avons pu les relier à des preuves d'observation, " dit Robert Stein, doctorant au centre de recherche German Electron-Synchrotron (DESY) à Zeuthen, Allemagne, et l'Université Humboldt de Berlin. "Mais il semble que cet événement particulier, appelé AT2019dsg, n'a pas généré le neutrino quand ni comme nous l'avions prévu. Cela nous aide à mieux comprendre comment fonctionnent ces phénomènes."

Les résultats, dirigé par Stein, ont été publiés dans le numéro du 22 février de Astronomie de la nature et sont disponibles en ligne. Les neutrinos sont des particules fondamentales qui dépassent de loin tous les atomes de l'univers, mais interagissent rarement avec d'autres matières. Les astrophysiciens s'intéressent particulièrement aux neutrinos de haute énergie, qui ont des énergies jusqu'à 1, 000 fois supérieures à celles produites par les collisionneurs de particules les plus puissants de la Terre. Ils pensent aux événements les plus extrêmes de l'univers, comme de violentes explosions galactiques, accélérer les particules à presque la vitesse de la lumière. Ces particules entrent ensuite en collision avec la lumière ou d'autres particules pour générer des neutrinos à haute énergie. La première source confirmée de neutrinos de haute énergie, annoncé en 2018, était un type de galaxie active appelée blazar.

Les événements de perturbation des marées se produisent lorsqu'une étoile malchanceuse s'éloigne trop près d'un trou noir. Les forces gravitationnelles créent des marées intenses qui brisent l'étoile en un flux de gaz. La partie de fuite du flux s'échappe du système, tandis que la partie principale se retourne, entourant le trou noir avec un disque de débris. Dans certains cas, le trou noir lance des jets de particules rapides. Les scientifiques ont émis l'hypothèse que les perturbations des marées produiraient des neutrinos de haute énergie dans de tels jets de particules. Ils s'attendaient également à ce que les événements produisent des neutrinos au début de leur évolution, à la luminosité maximale, quel que soit le processus de production des particules.

AT2019dsg a été découvert le 9 avril 2019, par l'installation transitoire de Zwicky (ZTF), une caméra robotique à l'observatoire Palomar de Caltech en Californie du Sud. L'événement s'est produit à plus de 690 millions d'années-lumière dans une galaxie appelée 2MASX J20570298+1412165, situé dans la constellation de Delphinus.

Dans le cadre d'une enquête de suivi de routine des perturbations liées aux marées, Stein et son équipe ont demandé visible, ultra-violet, et observations aux rayons X avec Swift. Ils ont également pris des mesures aux rayons X à l'aide du satellite XMM-Newton de l'Agence spatiale européenne et des mesures radio avec des installations telles que Karl G. Jansky Very Large Array de l'Observatoire national de radioastronomie à Socorro, Nouveau Mexique, et le télescope MeerKAT de l'Observatoire sud-africain de radioastronomie.

La luminosité maximale allait et venait en mai. Aucun jet clair n'est apparu. Selon les prédictions théoriques, AT2019dsg ressemblait à un mauvais candidat neutrino.

Puis, le 1er octobre 2019, L'observatoire IceCube Neutrino de la National Science Foundation à la station Amundsen-Scott du pôle Sud en Antarctique a détecté un neutrino de haute énergie appelé IC191001A et a fait marche arrière le long de sa trajectoire jusqu'à un emplacement dans le ciel. Environ sept heures plus tard, ZTF a noté que ce même morceau de ciel incluait AT2019dsg. Stein et son équipe pensent qu'il n'y a qu'une chance sur 500 que la perturbation de la marée ne soit pas la source du neutrino. Étant donné que la détection est intervenue environ cinq mois après que l'événement a atteint la luminosité maximale, cela soulève des questions sur le moment et la manière dont ces occurrences produisent des neutrinos.

« Les événements de perturbation des marées sont des phénomènes incroyablement rares, ne se produisant qu'une fois tous les 10, 000 à 100, 000 ans dans une grande galaxie comme la nôtre. Les astronomes n'en ont observé que quelques dizaines à ce stade, " a déclaré S. Bradley Cenko, chercheur principal de Swift au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland. « Les mesures de longueurs d'onde multiples de chaque événement nous aident à en apprendre davantage sur eux en tant que classe, donc AT2019dsg était d'un grand intérêt même sans détection initiale de neutrinos."

Par exemple, les perturbations des marées génèrent de la lumière visible et UV dans les régions externes de leurs disques d'accrétion chauds. Dans AT2019dsg, ces longueurs d'onde se sont stabilisées peu de temps après avoir atteint un pic. C'était inhabituel car de tels plateaux n'apparaissent généralement qu'après quelques années. Les chercheurs soupçonnent le trou noir monstre de la galaxie, avec une masse estimée à 30 millions de fois celle du Soleil, aurait pu forcer les débris stellaires à s'installer dans un disque plus rapidement qu'il n'aurait pu l'avoir autour d'un trou noir moins massif.

AT2019dsg est l'une des rares perturbations connues des marées émettant des rayons X. Les scientifiques pensent que les rayons X proviennent soit de la partie interne du disque d'accrétion, près du trou noir, ou à partir de jets de particules à grande vitesse. Les rayons X de l'explosion se sont estompés de 98% sans précédent en 160 jours. L'équipe de Stein ne voit pas de preuves claires indiquant la présence de jets et suggère plutôt qu'un refroidissement rapide dans le disque explique très probablement la chute précipitée des rayons X.

Tout le monde n'est pas d'accord avec cette analyse. Une autre explication, écrit par Walter Winter et Cecilia Lunarini de DESY, professeur à l'Arizona State University à Tempe, propose que l'émission provienne d'un jet qui a été rapidement obscurci par un nuage de débris. Les chercheurs ont publié leur interprétation alternative dans le même numéro de Astronomie de la nature .

Les astronomes pensent que l'émission radio dans ces phénomènes provient des particules d'accélération du trou noir, soit en jets soit en débits plus modérés. L'équipe de Stein pense que AT2019dsg appartient à cette dernière catégorie. Les scientifiques ont également découvert que l'émission radio se poursuivait régulièrement pendant des mois et ne s'estompait pas avec la lumière visible et UV, comme supposé précédemment.

La détection de neutrinos, combiné avec les mesures multi-longueurs d'onde, a incité Stein et ses collègues à repenser comment les perturbations des marées pourraient produire des neutrinos à haute énergie.

L'émission radio montre que l'accélération des particules se produit même sans clair, jets puissants et peut fonctionner bien après le pic de luminosité UV et visible. Stein et ses collègues suggèrent que ces particules accélérées pourraient produire des neutrinos dans trois régions distinctes de la perturbation de la marée :dans le disque externe par des collisions avec la lumière UV, dans le disque interne par collisions avec les rayons X, et dans le flux modéré de particules lors de collisions avec d'autres particules.

L'équipe de Stein suggère que le neutrino d'AT2019dsg provient probablement de la partie externe du disque, brillante aux UV, sur la base du fait que l'énergie de la particule était plus de 10 fois supérieure à ce qui peut être atteint par les collisionneurs de particules.

"Nous avons prédit que les neutrinos et les perturbations des marées pourraient être liés, et voir que pour la première fois dans les données est tout simplement très excitant, " a déclaré le co-auteur Sjoert van Velzen, professeur assistant à l'Université de Leiden aux Pays-Bas. "C'est un autre exemple de la puissance de l'astronomie multimessager, en utilisant une combinaison de lumière, particules, et les ondulations spatio-temporelles pour en savoir plus sur le cosmos. Quand j'étais étudiant diplômé, il était souvent prédit que cette nouvelle ère de l'astronomie arrivait, mais maintenant, en faire partie est très gratifiant."