Un portrait de la Voie lactée esquissé avec des neutrinos
Les nuits estivales offrent une belle occasion d’observer la Voie lactée, que ce soit à l’œil nu ou à l’aide de jumelles et de télescopes. Les astrophysiciens, quant à eux, ne se limitent pas à la lumière visible : ils explorent la Galaxie à travers différentes longueurs d’onde, des ondes radio aux rayons gamma. Cependant, la Terre est également bombardée en permanence par des particules appelées neutrinos. Une équipe internationale dirigée par Francis Halzen, de l’université du Wisconsin, a utilisé les données de l’observatoire IceCube, situé en Antarctique, pour élaborer une carte unique de la Voie lactée à partir de ces neutrinos.
En 1930, le physicien Wolfgang Pauli a proposé l’existence des neutrinos pour expliquer le spectre énergétique associé à la radioactivité bêta. Leur existence a été confirmée en 1956. Ces particules, qui se déclinent en trois « saveurs », interagissent très peu avec la matière, ce qui rend leur détection difficile. En effet, sur Terre, environ 63 milliards de neutrinos traversent chaque centimètre carré de la peau d’une personne chaque seconde, majoritairement issus du Soleil.
Les sources les plus intenses de neutrinos sont extragalactiques, notamment des noyaux actifs de galaxies et des trous noirs supermassifs. Ces sources émettent également de grandes quantités de rayons gamma, qui, par des processus de collision, produisent des neutrinos de haute énergie. Depuis la fin des années 1970, des chercheurs ont émis l’hypothèse que des régions émettrices de rayons gamma dans la Voie lactée pourraient aussi générer des neutrinos.
Jusqu’à récemment, ces neutrinos n’avaient pas pu être identifiés de manière fiable. Grâce à une décennie de données et à un algorithme d’intelligence artificielle, l’équipe d’IceCube a réussi à créer une nouvelle carte de la Voie lactée. IceCube, achevé en 2011, comprend 5 160 modules optiques répartis dans un cube d’un kilomètre de côté, enfouis à plus de 1,5 kilomètre sous la glace. Lorsqu’un neutrino de très haute énergie entre en collision avec un atome de glace, il provoque l’émission d’un rayonnement Tcherenkov, qui est ensuite détecté pour déterminer l’énergie, la direction et le sens de propagation du neutrino.
L’un des défis pour cartographier la Voie lactée avec des neutrinos est le bruit de fond. Pour chaque neutrino d’origine astrophysique, environ 100 millions de muons génèrent un signal dans IceCube. Ces muons, produits par les rayons cosmiques, peuvent pénétrer la glace, mais ceux de l’hémisphère Nord sont bloqués par la Terre. Grâce à un algorithme d’apprentissage profond, l’équipe a sélectionné près de 60 000 signaux, dont une fraction correspond à des neutrinos astrophysiques.
IceCube a produit une carte montrant un fond diffus de neutrinos correspondant au plan galactique, ainsi que des accumulations locales, bien que la résolution angulaire actuelle ne permette pas d’associer ces zones à des sources spécifiques. Pour l’avenir, des projets comme l’observatoire KM3NeT, en cours de déploiement dans la mer Méditerranée, devraient offrir une résolution angulaire améliorée, facilitant l’observation du centre galactique.
Cette avancée souligne l’importance des neutrinos comme outils d’exploration astronomique, ouvrant de nouvelles perspectives sur notre compréhension de la Voie lactée.
Source : Pour la Science
