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La couronne des trous noirs supermassifs à l’origine de mystérieux neutrinos ?

Juil 9, 2020 | economie | 0 commentaires



La couronne des trous noirs supermassifs à l'origine de mystérieux neutrinos ?

Des neutrinos de hautes énergies sont produits par des accélérateurs cosmiques comme les abords des trous noirs supermassifs. Mais on ne comprenait pas pourquoi certains de ces neutrinos n’étaient pas accompagnés de photons gamma. Une solution à cette énigme fait intervenir l’équivalent de la couronne solaire mais autour des trous noirs.

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Pendant longtemps, la lumière est restée l’unique médium entre les astres et les astrophysiciens. Elle peut voyager sur des distances proprement astronomiques, c’est-à-dire des millions et des milliards d’années-lumière. D’abord limités par des observations dans le visible, les yeux de l’Humanité se sont progressivement ouverts dans d’autres longueurs d’ondes, de l’infrarouge à l’ultraviolet, des ondes radios aux rayons gamma. À chaque fois qu’une fenêtre s’est ouverte dans le domaine des ondes électromagnétiques, des découvertes spectaculaires ont été faites, comme par exemple l’existence des pulsars, des trous noirs et du rayonnement fossile ou encore les disques protoplanétaires.

Toutefois, la lumière a un inconvénient. De la matière peut s’interposer entre les yeux de la noosphère et les objets lointains du cosmos. On sait par exemple que la poussière interstellaire dans la Voie lactée nous a dérobé bon nombre d’explosions de supernovae. Heureusement, le cerveau de l’Homo sapiens a découvert et développé une astronomie multimessager, en particulier avec les neutrinos, ces particules de matière fantomatiques qui interviennent notamment dans les réactions thermonucléaires faisant briller les étoiles mais aussi exploser des soleils.

L’astronomie des neutrinos

Neutres, contrairement aux particules chargées tels les protons, les positrons ou les noyaux d’hélium qui sont chaotiquement déviés au point de se déplacer comme si ils étaient ivres dans les champs magnétiques galactiques et intergalactiques, les neutrinos sont aussi très pénétrants au point de pouvoir traverser la Terre sans généralement interagir avec les autres particules de matière. Ils sont générés dans des processus à haute énergie en particulier et, en les observant, contrairement donc aux autres rayons cosmiques matériels, on peut déterminer avec assurance de quelle portion de la voûte céleste et donc de quel objet ils ont été émis.

L’astronomie neutrinos a donc été intensément cultivée, elle nous a révélé les secrets des sources d’énergie faisant briller le Soleil et les autres étoiles.  On attend d’elle qu’elle nous en livre d’autres concernant les collisions d’étoiles à neutrons avec d’autres astres compacts et ce qui se passe aux abords des trous noirs supermassifs au cœur des noyaux actifs de galaxies, en particulier quand ils apparaissent comme des quasars.

Une présentation de IceCube chassant les neutrinos de haute énergie pour déterminer notamment leurs origines. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © IceCube Collaboration/NSF

Un des instruments conçus pour détecter ces neutrinos s’appelle l’IceCube Neutrino Observatory et il a été construit dans les glaces de l’Antarctique. Il a débusqué plusieurs énigmes et l’une d’entre elles fait l’objet d’une publication dans Physical Review Letters par une équipe internationale menée par Kohta Murase, professeur adjoint de physique, d’astronomie et d’astrophysique à l’Université Penn State et également membre du Center for Multimessenger Astrophysics de l’Institut de gravitation et du cosmos (IGC).

Dans un communiqué, Kohta Murase explique l’origine de l’article publié, également en accès libre sur arXiv, de la façon suivante : « Les neutrinos cosmiques de haute énergie sont créés par des accélérateurs énergétiques de rayons cosmiques 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 des énergies plus faibles, et même parfois d’ondes gravitationnelles. Donc, nous nous attendons à ce que les niveaux de ces divers “messagers cosmiques” que nous observons soient liés. Fait intéressant, les mesures faites avec IceCube ont indiqué un excès d’émission de neutrinos avec des énergies inférieures à 100 téraélectrons volts (TeV), par rapport au niveau des rayons gamma à haute énergie correspondant vu par le télescope spatial à rayons gamma Fermi ».

Dit autrement, les mécanismes invoqués jusqu’ici pour produire des émissions de neutrinos à hautes énergies impliquaient qu’ils soient accompagnés de photons gamma en proportion du flux produit. Or, en dessous des énergies de 100 TeV pour des neutrinos, il y a un déficit de photons gamma que l’on constate en particulier si l’on combine les observations de IceCube avec Fermi en direction de la célèbre galaxie active M77 alias NGC 1068.

Une couronne de plasma pour les trous noirs

Murase et ses collègues pensent avoir une solution à cette énigme : « Nous savons que les sources de neutrinos de haute énergie doivent également créer des rayons gamma, donc la question est : “où sont ces rayons gamma manquants ?” Les sources sont en quelque sorte cachées à notre vue dans le domaine des rayons gamma de haute énergie, et le bilan énergétique des neutrinos libérés dans l’univers est étonnamment élevé. 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 où les neutrinos peuvent facilement s’échapper. Notre nouveau modèle montre que les systèmes formés de trous noirs supermassifs sont des sites prometteurs et le modèle peut expliquer les neutrinos en dessous de 100 TeV avec des contraintes et des hypothèses sur les énergies en jeu modestes ».

Le modèle en question n’est pas compliqué à comprendre. On sait que les trous noirs accrétant de la matière, et particulièrement quand cette accrétion est importante en donnant des noyaux actifs de galaxies, s’entourent d’un disque de plasma particulièrement chaud comme l’illustrent les fameuses simulations découlant des travaux de Jean-Pierre Luminet et Jean-Alain Marck. Ce que l’on sait moins, c’est qu’au-dessus de ce disque se forme l’équivalent du plasma de la couronne solaire mais cette fois-ci, à des températures qui peuvent atteindre non pas le million mais le milliard de degrés ! Dans cet environnement magnétisé et turbulent, les particules peuvent être accélérées par des processus de magnétohydrodynamique qui conduisent à des collisions de particules créant des neutrinos et des rayons gamma, mais le plasma est suffisamment dense pour empêcher la fuite de rayons gamma de haute énergie.

Toujours dans le communiqué de l’Université Penn State, Murase précise que « le modèle prédit également des équivalents électromagnétiques des sources de neutrinos dans des rayons gamma “mous” au lieu de rayons gamma de haute énergie. Les rayons gamma à haute énergie seraient bloqués mais ce n’est pas la fin de l’histoire. Ils finiraient par être dégradés en cascade par les collisions avec la matière du plasma pour atteindre des énergies inférieures et être libérés sous forme de rayons gamma “mous” dans la gamme des méga-électrons volts, mais la plupart des détecteurs de rayons gamma existants, comme le télescope spatial à rayons gamma Fermi, ne sont pas conçus pour les détecter ».

Le modèle de ces astrophysiciens des particules est donc réfutable au sens de Popper car il prédit ce flux de rayons gamma à basse énergie que devraient pouvoir mesurer de nouveaux détecteurs en préparation, en complément d’autres télescopes à neutrinos comme KM3NeT, et comme l’explique Murase, « ces nouveaux détecteurs de rayons gamma et de neutrinos permettront de rechercher plus efficacement les émissions multimessagers provenant des couronnes des trous noirs supermassifs. Cela permettra d’examiner de manière critique si ces sources sont responsables du flux important de neutrinos de moyennes d’énergies observé par IceCube comme le prédit notre modèle ».

Cette vidéo montre notamment un image composite de la galaxie M 77, alias NGC 1068, en superposant des vues dans différentes longueurs d’onde. Le visible est observé par le télescope Hubble, le domaine radio par le VLA et les rayons X par le satellite Chandra. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Chandra X-ray Observatory

Ce qu’il faut retenir

  • Des neutrinos de hautes énergies sont produits par des accélérateurs cosmiques comme les abords des trous noirs supermassifs. Mais on ne comprenait pas pourquoi certains de ces neutrinos n’étaient pas accompagnés de photons gamma.
  • Une solution à cette énigme fait intervenir l’équivalent de la couronne solaire mais autour des trous noirs. Son plasma ferait obstacle aux photons gamma à hautes énergies.
  • Des photons gammas dégradés et moins énergétiques, à cause des collisions avec le plasma, devraient être détectables pour la galaxie M 77, par exemple.

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