Les « yeux » enterrés dans la glace dans l'Antarctique sont des « yeux » qui peuvent voir des particules élémentaires appelées neutrinos, et ce qu'ils ont observé, c'est des scientifiques déroutants: un signal de neutrinos remarquablement fort accompagné d'une émission de rayons gamma étonnamment faible dans la galaxie NGC 1068, également connue sous le nom de Squid Galaxy.
Les «yeux» sont une collection de détecteurs enfouis dans un kilomètre cube de glace appelé l'observatoire de neutrinos Icecube. Les physiciens théoriciens de l'UCLA, de l'Université d'Osaka et de l'Institut de l'Université de Tokyo Kavli pour la physique et les mathématiques de l'univers (Kavli IPMU, WPI) utilisent leurs observations de NGC 1068 pour proposer une toute nouvelle voie par laquelle les neutrinos peuvent être produits.
Les neutrinos sont des particules subatomiques qui interagissent seulement très faiblement avec la gravité et peuvent passer à travers la matière. Cela les rend encore plus difficiles à détecter que les autres particules, comme les électrons. L'observatoire de neutrinos Icecube se compose de 5 160 capteurs enfouis dans une glace antarctique claire et comprimée qui recherchent des événements qui pourraient être produits par les neutrinos lorsqu'ils traversent la glace, interagissent avec lui et créent des particules chargées.
« Nous avons des télescopes qui utilisent de la lumière pour regarder les étoiles, mais bon nombre de ces systèmes astrophysiques émettent également des neutrinos », a déclaré Alexander Kusenko, professeur de physique et d'astronomie à l'UCLA et membre principal de Kavli IPMU. « Pour voir les neutrinos, nous avons besoin d'un type de télescope différent, et c'est le télescope que nous avons au pôle Sud. »
Le télescope de neutrinos Icecube détecté des neutrinos très énergiques provenant de NGC 1068 accompagnés d'un flux de rayons gamma faible, laissant entendre que ces neutrinos peuvent avoir été produits d'une manière différente de celle précédemment.
Les données NGC 1068 sont perplexes car, généralement, les neutrinos énergétiques des centres galactiques actifs proviennent des interactions entre les protons et les photons, produisant des rayons gamma d'intensité comparable. Ainsi, les neutrinos énergétiques sont généralement associés à des rayons gamma énergétiques.
L'émission de rayons gamma de NGC 1068 est significativement plus faible que prévu et montre une forme spectrale distinctement différente. Les modèles traditionnels, y compris ceux basés sur les collisions de protons-photons et les émissions de la région du plasma chaud de la galaxie connue sous le nom de « Corona », ont été largement utilisées pour expliquer de tels signaux de neutrinos, mais ils ont été confrontés à des limitations théoriques, provoquant la recherche d'une nouvelle explication.
Dans un article publié dans Lettres d'examen physiqueKusenko et ses collègues suggèrent que les neutrinos à haute énergie de NGC 1068 résultent principalement de la décroissance des neutrons lorsque les noyaux d'hélium dans la rupture du jet de la galaxie sous un rayonnement ultraviolet intense.
Lorsque ces noyaux d'hélium entrent en collision avec des photons ultraviolets émis par la région centrale de la galaxie, ils se fragment, libérant des neutrons qui se décomposent par la suite en neutrinos. Les énergies des neutrinos résultantes correspondent aux observations.
De plus, les électrons générés par ces désintégrations nucléaires interagissent avec les champs de rayonnement environnant, créant des rayons gamma compatibles avec l'intensité inférieure observée. Ce scénario explique avec élégance pourquoi le signal de neutrinos surpasse considérablement l'émission de rayons gamma et explique le spectre d'énergie distinct observé dans les raies de neutrinos et de gamma.
La percée aide les scientifiques à comprendre comment les jets cosmiques dans les galaxies actives peuvent émettre de puissants neutrinos sans une lueur gamma correspondante, jetant un nouvel éclairage sur les conditions extrêmes et complexes entourant des trous noirs supermassifs, y compris celui au centre de notre propre galaxie.
« Nous ne savons pas grand-chose sur la région centrale et extrême près du centre galactique de NGC1068 », a déclaré Kusenko. « Si notre scénario est confirmé, il nous dit quelque chose sur l'environnement près du trou noir supermassif au centre de cette galaxie. »
Le nouveau papier propose que si un noyau d'hélium accélère dans le jet d'un trou noir supermassif, il s'écrase en photons et se sépare, renversant ses deux protons et deux neutrons dans l'espace. Les protons peuvent s'envoler, mais les neutrons sont instables et se désagrègent, ou se décomposent en neutrinos sans produire de rayons gamma.
« L'hydrogène et l'hélium sont les deux éléments les plus courants de l'espace », a déclaré le premier auteur et étudiant doctoral de l'UCLA, Koichiro Yasuda.
« Mais l'hydrogène n'a qu'un proton, et si ce proton se déroule en photons, il produira à la fois des neutrinos et de forts rayons gamma. Mais les neutrons ont une façon supplémentaire de former des neutrinos qui ne produisent pas les rayons gamma. L'hélium est donc l'origine la plus probable des neutrinos que nous observons à partir de NGC 1068. »
L'œuvre révèle l'existence de sources de neutrophysiques cachées, dont les signaux auraient pu être passés inaperçus en raison de leurs faibles signatures de rayons gamma.
« Cette idée offre une nouvelle perspective au-delà des modèles Corona traditionnels. NGC 1068 n'est qu'une des nombreuses galaxies similaires dans l'univers, et les futures détections de neutrinos à testeront notre théorie et à découvrir l'origine de ces particules mystérieuses », a déclaré le co-auteur et le professeur d'astrophysique d'Osaka Yoshiyuki Inoue.
Comme NGC 1068, notre galaxie a également un trou noir supermassif en son centre, où la gravité et l'énergie incroyablement immenses déchirent littéralement les atomes, et la découverte des neutrino tient également pour notre galaxie. Bien qu'il n'y ait pas nécessairement une ligne droite de la compréhension du centre galactique aux améliorations du bien-être humain, les connaissances acquises grâce à l'étude des particules comme les neutrinos et les rayonnements comme les rayons gamma ont tendance à mener la technologie en baisse des chemins surprenants et transformateurs.
« Lorsque JJ Thompson a reçu le prix Nobel de physique de 1906 pour la découverte des électrons, il a donné un toast lors d'un dîner après la cérémonie, disant que c'était probablement la découverte la plus inutile de l'histoire », a déclaré Kusenko. « Et, bien sûr, chaque smartphone, chaque appareil électronique aujourd'hui, utilise la découverte que Thompson a fait il y a près de 125 ans. »
Kusenko a également déclaré que la physique des particules avait donné naissance au World Wide Web, qui est originaire d'un réseau développé par des physiciens qui devaient déplacer de grandes quantités de données entre les laboratoires. Il a souligné que la découverte de la résonance magnétique nucléaire semblait obscure à l'époque, mais a conduit au développement de la technologie d'imagerie par résonance magnétique, qui est maintenant utilisé régulièrement en médecine.
« Nous nous tenons au tout début du nouveau champ de l'astronomie des neutrinos, et les mystérieux neutrinos de NGC 1068 sont l'un des puzzles que nous devons résoudre en cours de route », a déclaré Kusenko.
« L'investissement dans la science va produire quelque chose que vous ne pourrez peut-être pas apprécier maintenant, mais pourrait produire quelque chose de grandes décennies plus tard. C'est un investissement à long terme, et les entreprises privées hésitent à investir dans le type de recherche que nous faisons. C'est pourquoi le financement gouvernemental pour la science est si important, et c'est pourquoi les universités sont si importantes. »
