Quand Wolfgang Pauli et Enrico Fermi ont postulé l'existence du neutrino et l'ont utilisé pour faire une théorie de la radioactivité bêta dans les années 1930, ils ne pouvaient pas savoir non seulement qu'il existait plusieurs types de neutrinos se convertissant les uns dans les autres au cours du temps, mais aussi que ces particules fantomatiques seraient utilisées pour faire de l'astronomie multi-messagers, par exemple en combinaison avec la détection d'ondes gravitationnelles, et pour tenter de percer les secrets des noyaux actifs de galaxies, notamment des quasars.

Toutefois, on étudiait déjà à l'époque les rayons cosmiques et on s'interrogeait sur leurs origines. C’est en 1926 et au prix Nobel de physique Robert Millikan que l’on doit ce nom, comme le prouve un article de 1928 où il l'utilise. Pour lui, ces rayons cosmiques ne proviennent pas des étoiles, mais sont des ondes électromagnétiques ionisantes et elles représentent les « cris de naissance des atomes » dans la Galaxie. La découverte des positrons, des muons et des pions chargés allait rapidement montrer que Millikan se trompait sur le premier point. Toutefois, une partie des rayons cosmiques à des énergies pas trop élevées est vraiment en rapport avec les explosions de supernovae, et donc la synthèse de certains éléments chimiques.

Olivier Drapier, chercheur au laboratoire Leprince-Ringuet de l’École polytechnique, CNRS, nous parle des neutrinos, ces particules de matière que l'on peut utiliser pour étudier les étoiles et l'Univers. © École polytechnique

Une astronomie neutrino

Après la Seconde Guerre mondiale, on fera cependant la découverte de rayons cosmiques à des énergies de plus en plus hautes, par exemple des photons gamma, des énergies trop importantes pour être le produit de simple explosion d'étoiles. La question de l'origine des rayons cosmiques à ultra-hautes énergies s'est alors posée.

Depuis plusieurs décennies, on pense que les super-accélérateurs de particules capables de les produire sont étroitement associés aux phénomènes aux abords des trous noirs supermassifs au cœur de la très grande majorité des grandes galaxies. Mais il reste bien des questions à ce sujet.

Or, justement aujourd'hui, de nouveaux résultats obtenus avec l'astronomie multi-messagers aux distances cosmologiques pointent vers une origine différente pour certains des neutrinos cosmiques de haute énergie, comme l'explique un article sur arXiv.

L'observatoire de neutrinos IceCube au pôle Sud avait fourni une localisation approximative sur la voûte céleste pour l'événement de neutrinos de haute énergie baptisé IC 210922A, localisation suffisamment précise tout de même pour que des observations utilisant un effet de lentille gravitationnelle dans le domaine radio ait permis de lui associer une lointaine galaxie faisant incontestablement partie des galaxies compactes, poussiéreuses et intensément formatrices d'étoiles du « midi cosmique » (Cosmic Noon en anglais), il y a environ 10 à 11 milliards d'années.

Rappelons que c'est pendant cette période que l'on l'observe les taux de formation d'étoiles les plus élevés dans les galaxies, ainsi qu'un grand nombre de quasars. C'est au cours de cette période de quelques milliards d'années autour du Midi cosmique que s'est formée la majeure partie des étoiles et des trous noirs de l'Univers.

Cette animation illustre le fonctionnement de l'effet de lentille gravitationnelle : lorsqu'une galaxie très massive située au premier plan courbe l'espace-temps et agit comme une loupe cosmique, agrandissant et déformant l'image d'une galaxie plus lointaine située derrière elle. Les images présentées ici montrent la galaxie à lentille gravitationnelle surnommée « Shadow Blaster », que les astronomes ont identifiée comme la source probable de l'événement de neutrinos de haute énergie IC 210922A, détecté par l'observatoire de neutrinos IceCube en 2021. Ces images ont été capturées par le réseau Alma (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) et le télescope Gemini Nord, qui constituent l'une des deux composantes de l'observatoire international Gemini, financé en partie par la NSF (National Science Foundation) et exploité par le NSF NOIRLab. © Observatoire international Gemini/NOIRLab/NSF/AURA/Alma (ESO/NAOJ/NRAO)/R. Proctor-Traitement d'images : T.A. Rector (Université d'Alaska Anchorage/NSF NOIRLab), D. de Martin et M. Zamani (NSF NOIRLab)

Une astronomie multi-messagers avec des lentilles gravitationnelles

La galaxie, dont les rayons ont été affectés en radio par l'effet de lentille gravitationnelle provoqué par le champ de gravitation d'une galaxie elliptique située au premier plan, a été observée grâce aux antennes d'Alma (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, en français « grand réseau d'antennes millimétrique/submillimétrique de l'Atacama), le radiotélescope géant observant les ondes millimétriques depuis le désert d'Atacama dans le nord du Chili.

Les astrophysiciens lui ont donné le nom de « Shadow Blaster » et elle a aussi fait l'objet d'observations dans le domaine des rayons X, sans que l'événement IC 210922A observé le 22 septembre 2021 ne soit associé à un flash brillant dans ce domaine de rayonnement.

On aurait dû en voir un si le neutrino avait pris naissance en rapport avec un événement violent au voisinage proche d'un trou noir supermassif au cœur de Shadow Blaster, comme un événement de rupture par effet de marée, un Tidal disruption event (ou TDE).

À gauche : le champ gravitationnel autour de la galaxie « Shadow Blaster », surnommée ainsi en raison de son effet de lentille gravitationnelle. Cette galaxie se situe à 11 milliards d’années-lumière et se trouve juste derrière la brillante galaxie rouge au centre de cette image. Au centre : un gros plan de la lentille gravitationnelle où la galaxie rouge au premier plan courbe la lumière de « Shadow Blaster », plus lointaine, créant de multiples images déformées de cette dernière, qui apparaissent sous forme d’arcs jaunes. À droite : un gros plan de la galaxie « Shadow Blaster », dont l’effet de lentille gravitationnelle est visible. Ces images ont été prises avec le réseau Alma et le télescope Gemini Nord, qui constituent la moitié de l’Observatoire international Gemini, financé en partie par la NSF (National Science Foundation) et exploité par le NSF NOIRLab. © Observatoire international Gemini/NOIRLab/NSF/AURA/Alma (ESO/NAOJ/NRAO)-Traitement d’image : T.A. Recteur (Université d'Alaska Anchorage/NSF NOIRLab), D. de Martin et M. Zamani (NSF NOIRLab)-Remerciements : Chercheur principal : Yuji Urata (MITOS Science Co., LTD.)

En combinant des données optiques et infrarouges des télescopes Subaru et Gemini ayant subi aussi un effet de lentille gravitationnelle avec l'absence de signature claire d'un gaz chauffé par un trou noir actif dominant dans le spectre de la distribution d'énergie du monoxyde de carbone obtenu avec Alma, les astrophysiciens en sont arrivés à relier IC 210922A à un noyau compact, riche en gaz et en poussière, concentré sur environ 1 500 années-lumière au cœur de Shadow Blaster.

Un tel environnement dense pourrait favoriser les collisions entre particules énergétiques et gaz, produisant ainsi des neutrinos de haute énergie.

Une population de galaxies similaires pourrait contribuer jusqu'à environ 20 % du fond diffus de neutrinos de haute énergie (ne pas le confondre avec celui du Big Bang). Le résultat renforce donc l'idée que l'astronomie multi-messagers peut révéler des sources cosmiques cachées, invisibles en lumière visible, mais détectables grâce aux neutrinos, aux ondes submillimétriques et à une lentille gravitationnelle.