Les chercheurs ont utilisé les supernovae pour mieux comprendre les neutrinos insaisissables, découvrant ainsi comment leurs auto-interactions pourraient remodeler notre compréhension de l’univers.
Une nouvelle étude offre de l’espoir sur un problème scientifique de longue date.
Dans une étude révolutionnaire, les chercheurs ont franchi une étape importante vers la compréhension de la manière dont les étoiles explosives peuvent aider à révéler comment les neutrinos, de mystérieuses particules subatomiques, interagissent secrètement avec eux-mêmes.
Les neutrinos, l’une des particules élémentaires les moins bien comprises, interagissent rarement avec la matière normale et la traversent de manière invisible, presque à la vitesse de la lumière. Ces particules fantomatiques sont plus nombreuses que tous les atomes de l’univers et traversent constamment et sans danger notre corps. Pourtant, en raison de leur faible masse et de l’absence de charge électrique, ils peuvent être incroyablement difficiles à détecter et à étudier.
Découvrir les mystères des neutrinos avec les supernovae
Or, dans une étude publiée le 15 août dans la revue Lettres d’examen physiquedes chercheurs de l’Ohio State University ont établi un nouveau cadre détaillant comment les supernovae – des explosions massives annonçant la mort des étoiles qui s’effondrent – pourraient être utilisées comme outils puissants pour étudier comment les auto-interactions des neutrinos peuvent provoquer de vastes changements cosmologiques dans l’univers.
« Les neutrinos n’ont que de très faibles taux d’interaction avec la matière typique, il est donc difficile de les détecter et de tester leurs propriétés », a déclaré Po-Wen Chang, auteur principal de l’étude et étudiant diplômé en physique à l’Ohio State. « C’est pourquoi nous devons utiliser l’astrophysique et la cosmologie pour découvrir des phénomènes intéressants à leur sujet. »
Considérés comme ayant joué un rôle important dans la formation de l’univers primitif, les neutrinos restent intriguants pour les scientifiques, même s’ils ont appris qu’ils proviennent de plusieurs sources, comme les réacteurs nucléaires ou l’intérieur des étoiles mourantes. Mais en calculant comment les auto-interactions affecteraient le signal des neutrinos de la Supernova 1987A, la supernova la plus proche observée à l’époque moderne, les chercheurs ont découvert que lorsque les neutrinos interagissent avec eux-mêmes, ils forment un fluide étroitement couplé qui se dilate sous l’hydrodynamique relativiste – une branche de la physique. qui traite de la manière dont les flux affectent les objets solides de deux manières différentes.
Théories sur les sorties de neutrinos
Dans le cas de ce qu’on appelle un « « , les chercheurs théorisent que, tout comme l’éclatement d’un ballon hautement pressurisé dans le vide de l’espace pousserait l’énergie vers l’extérieur, une explosion produit un fluide neutrino qui se déplace dans toutes les directions. Le deuxième cas, décrit comme un « écoulement de vent », imagine un ballon hautement pressurisé doté de nombreuses tuyères, dans lequel les neutrinos s’échappent à un débit plus constant, semblable à un jet de vent constant.
Bien que la théorie de l’écoulement du vent soit plus susceptible de se produire dans la nature, a déclaré Chang, si le cas d’éclatement se réalise, les scientifiques pourraient voir de nouvelles signatures observables de neutrinos émises par les supernovae, permettant une sensibilité sans précédent aux auto-interactions des neutrinos.
L’une des raisons pour lesquelles il est si vital de comprendre ces mécanismes est que si les neutrinos agissent comme un fluide, cela signifie qu’ils agissent ensemble, en tant que collectif. Et si les propriétés des neutrinos sont différentes en tant que collectif qu’individuellement, alors la physique des supernovae pourrait également connaître des changements. Mais il reste à savoir si ces changements sont dus uniquement au cas d’éclatement ou au cas d’exode.
Défis et perspectives d’avenir
« La dynamique des supernovae est compliquée, mais ce résultat est prometteur car avec l’hydrodynamique relativiste, nous savons qu’il y a une bifurcation sur la route pour comprendre comment elles fonctionnent maintenant », a déclaré Chang.
Néanmoins, des recherches supplémentaires doivent être menées avant que les scientifiques puissent exclure la possibilité que le cas d’éclatement se produise également à l’intérieur des supernovae.
Cependant, malgré les incertitudes, cette recherche marque une étape importante dans la réponse au problème astrophysique vieux de plusieurs décennies sur la façon dont les neutrinos se dispersent lorsqu’ils sont éjectés d’une supernovae, a déclaré John Beacom, co-auteur de l’étude et professeur de physique et d’astronomie à l’Ohio State. Cette étude a révélé que dans le cas d’une explosion, une sensibilité sans précédent aux auto-interactions des neutrinos est possible même avec des données clairsemées sur les neutrinos de SN 1987A et des hypothèses d’analyse conservatrices.
« Ce problème est resté pratiquement intact depuis 35 ans », a déclaré Beacom. « Ainsi, même si nous n’avons pas été en mesure de résoudre complètement la manière dont les neutrinos affectent les supernovae, ce qui nous passionne, c’est d’avoir pu faire un pas en avant substantiel. »
À l’avenir, l’équipe espère que leurs travaux serviront de tremplin pour approfondir l’étude des auto-interactions des neutrinos. Pourtant, comme seulement deux ou trois supernovae se produisent par siècle dans le monde, voie Lactéeil est probable que les chercheurs devront attendre encore des décennies pour collecter suffisamment de nouvelles données sur les neutrinos afin de prouver leurs idées.
« Nous prions toujours pour qu’une autre supernova galactique se produise quelque part et bientôt, mais le mieux que nous puissions faire est d’essayer de nous appuyer autant que possible sur ce que nous savons avant qu’elle ne se produise », a déclaré Chang.
Les autres co-auteurs étaient Ivan Esteban, Todd Thompson et Christopher M. Hirata, tous originaires de l’État de l’Ohio. Ce travail a été soutenu par la National Science Foundation, NASAet la Fondation David & Lucile Packard.
