Pour plus d'un siècle, les scientifiques ont observé des particules chargées de très haute énergie appelées rayons cosmiques provenant de l'extérieur de l'atmosphère terrestre. Les origines de ces particules sont très difficiles à déterminer car les particules elles-mêmes ne voyagent pas en ligne droite vers la Terre. Même les rayons gamma, un type de photon de haute énergie qui offre un peu plus de perspicacité, sont absorbés lors de la traversée de longues distances.

L'observatoire des neutrinos IceCube, un réseau de modules optiques enfouis dans un kilomètre cube de glace au pôle Sud, chasse les sources de rayons cosmiques à l'intérieur et à l'extérieur de notre galaxie - s'étendant à des galaxies situées à plus de milliards d'années-lumière - en utilisant des indices de particules insaisissables appelées neutrinos. Ces neutrinos devraient être produits par des collisions de rayons cosmiques avec des gaz ou des rayonnements à proximité des sources.

Contrairement aux rayons cosmiques, les neutrinos ne sont pas absorbés ou détournés sur leur chemin vers la Terre, ce qui en fait un outil pratique pour localiser et comprendre les accélérateurs cosmiques. Si les scientifiques peuvent trouver une source de neutrinos astrophysiques de haute énergie, ce serait une arme fumante pour une source de rayons cosmiques.

Après 10 ans de recherche des origines des neutrinos astrophysiques, une nouvelle recherche dans tout le ciel fournit la sonde la plus sensible de l'émission de neutrinos intégrée dans le temps de sources ponctuelles. La collaboration IceCube présente les résultats de cette analyse dans un article soumis récemment à Lettres d'examen physique .

Tessa Carver a dirigé cette analyse sous la direction de Teresa Montaruli du Département de Physique Nucléaire et Corpusculaire de l'Université de Genève en Suisse. "IceCube a déjà observé un flux astrophysique de neutrinos, donc nous savons qu'ils existent et sont détectables - nous ne savons tout simplement pas exactement d'où ils viennent, " dit Carver, maintenant post-doctorant à l'Université de Cardiff. "Ce n'est qu'une question de temps et de précision jusqu'à ce que nous puissions identifier les sources derrière ce flux de neutrinos."

Le principal défi dans la recherche de sources de neutrinos astrophysiques avec IceCube est le bruit de fond écrasant des événements induits par les interactions des rayons cosmiques dans notre atmosphère. Le signal des sources de neutrinos faibles doit être extrait via des techniques d'analyse statistique sophistiquées.

En utilisant ces méthodes, Carver et ses collaborateurs ont « balayé » tout le ciel pour rechercher des sources de neutrinos ponctuelles à des emplacements arbitraires. Cette méthode de balayage est capable d'identifier des sources de neutrinos très brillantes qui pourraient être invisibles dans les rayons gamma, qui sont également produits dans les collisions de rayons cosmiques.

Afin d'être sensible aux sources de gradation, ils ont également analysé 110 sources candidates galactiques et extragalactiques, qui ont été observés via les rayons gamma. Ils ont ensuite combiné les résultats obtenus pour les sources individuelles de cette liste dans une « analyse de population, " qui recherche un taux de résultats significatifs plus élevé que prévu à partir de la recherche de liste de sources individuelles. Cela permet aux chercheurs de trouver une émission de neutrinos significative, même si les sources de la liste sont trop faibles pour être observées individuellement.

Les chercheurs ont également utilisé une "recherche d'empilement" pour trois catalogues de sources de rayons gamma au sein de notre galaxie. Cette recherche superpose toutes les émissions de groupes d'objets connus du même type en supposant qu'ils ont des propriétés d'émission bien connues. Bien qu'il puisse réduire considérablement l'émission par source requise pour observer un grand excès de signal par rapport au bruit de fond, cette recherche est limitée dans la mesure où elle nécessite une meilleure connaissance des sources du catalogue.

Alors que les différentes analyses n'ont pas découvert de sources de neutrinos stables, les résultats sont néanmoins passionnants :certains des objets du catalogue des sources connues ont montré un flux de neutrinos plus élevé que prévu, avec des excès au niveau 3σ. En particulier, l'analyse de tout le ciel a révélé que l'emplacement "le plus chaud" dans le ciel n'est qu'à 0,35 degré de la galaxie starburst NGC 1068, qui a un excès de 2,9  par rapport au bruit de fond. NGC 1068 est l'un des trous noirs les plus proches de nous; il est intégré dans une région de formation d'étoiles avec beaucoup de matière avec laquelle les neutrinos peuvent interagir tandis que les rayons gamma à haute énergie sont atténués, comme le montrent les mesures de Fermi et MAGIC. C'est le dépassement le plus important observé en dehors du TXS 0506+056, la source de 2017 qu'IceCube a trouvée coïncidant avec une éruption de rayons gamma. Toujours, ces sources potentielles de neutrinos nécessitent plus de données avec un détecteur plus sensible, comme IceCube-Gen2, être confirmé.

Les chercheurs ont également découvert que le catalogue de sources de l'hémisphère Nord dans son ensemble différait des attentes de base avec une signification de 3,3σ. Carver dit que ces résultats démontrent une forte motivation pour continuer à analyser les objets du catalogue. Analyses dépendantes du temps, qui recherchent des éruptions d'émission de pointe, et la possibilité de corréler l'émission de neutrinos avec des observations d'ondes électromagnétiques ou gravitationnelles pour ces sources et d'autres peut fournir des preuves supplémentaires de l'émission de neutrinos et des informations sur l'origine des neutrinos. Avec la prise de données continue, reconstruction de direction plus fine, et la prochaine mise à niveau IceCube, d'autres améliorations de la sensibilité sont à l'horizon.

"Nous avons la chance d'avoir l'opportunité unique d'être les premiers à cartographier l'univers avec des neutrinos, qui offre une toute nouvelle perspective, " dit Carver. " Aussi, ces progrès dans l'astronomie des neutrinos s'accompagnent de grands progrès dans la physique des ondes gravitationnelles et la physique des rayons cosmiques."

Montaruli ajoute, "Alors que nous sommes à l'aube d'une nouvelle ère en astronomie qui observe l'univers non seulement avec la lumière, c'est la première fois que nous commençons à voir des excès potentiellement significatifs d'événements de neutrinos candidats autour d'objets extragalactiques intéressants dans des recherches indépendantes du temps. »