Notre galaxie, la Voie Lactée, est une caractéristique fascinante du ciel nocturne, visible à l’œil nu comme une bande floue d’étoiles s’étendant de l’horizon à l’horizon. Pour la première fois, l’Observatoire Neutrino IceCube a produit une image de la Voie Lactée en utilisant des neutrinos – de minuscules messagers astronomiques fantomatiques qui sont extrêmement difficiles à détecter car ils interagissent rarement avec la matière.
Dans un article publié dans la revue Science, la collaboration IceCube, un groupe international de plus de 350 scientifiques, dont des chercheurs de Penn State, présente des preuves de l’émission de neutrinos de haute énergie provenant de la Voie Lactée.
Une nouvelle perception de l’Univers
« La plupart de ce que nous savons sur notre univers et notre galaxie hôte, nous l’avons appris en observant le rayonnement électromagnétique – cela inclut la lumière visible mais s’étend en énergie des ondes radio aux rayons X et gamma« , a déclaré Doug Cowen, professeur de physique à la Penn State Eberly College of Science et membre de la collaboration IceCube. « Cette nouvelle image de la Voie Lactée en utilisant des neutrinos est complètement différente et nous permet d’explorer des questions sur les origines et le fonctionnement de notre galaxie de nouvelles façons.«
Le rôle de l’Observatoire Neutrino IceCube
Les neutrinos de haute énergie, avec des énergies de millions à des milliards de fois supérieures à celles produites par les réactions de fusion qui alimentent les étoiles, ont été détectés par l’Observatoire Neutrino IceCube, un détecteur de gigatonnes fonctionnant à la station Amundsen-Scott du pôle Sud.
Il a été construit et est exploité avec le financement de la National Science Foundation (NSF) et un soutien supplémentaire des 14 pays qui accueillent des membres institutionnels de la collaboration IceCube.
Ce détecteur unique en son genre englobe un kilomètre cube de glace antarctique profonde instrumentée avec plus de 5 000 capteurs de lumière. IceCube recherche des signes de neutrinos de haute énergie provenant de notre galaxie et au-delà, jusqu’aux confins les plus éloignés de l’univers.
Le rôle de la Technologie
« Comme c’est souvent le cas, les avancées significatives en science sont rendues possibles par les progrès technologiques« , a déclaré Denise Caldwell, directrice de la division de la physique de la NSF. « Les capacités du détecteur IceCube, hautement sensible, couplées à de nouveaux outils d’analyse de données, nous ont donné une vue entièrement nouvelle de notre galaxie – une vision qui n’avait été qu’évoquée auparavant. À mesure que ces capacités continueront à être affinées, nous pouvons nous attendre à voir cette image émerger avec une résolution toujours croissante, révélant potentiellement des caractéristiques cachées de notre galaxie jamais vues auparavant par l’humanité.«
Les interactions entre les rayons cosmiques – des protons de haute énergie et des noyaux plus lourds, également produits dans notre galaxie – et le gaz et la poussière galactiques produisent inévitablement à la fois des rayons gamma et des neutrinos. Étant donné l’observation des rayons gamma provenant du plan galactique, la Voie Lactée était attendue comme une source de neutrinos de haute énergie, selon l’équipe de recherche.
Vers une meilleure compréhension de la Voie Lactée
IceCube a précédemment détecté des neutrinos énergétiques provenant de sources astrophysiques beaucoup plus éloignées que notre propre galaxie de la Voie Lactée, mais ces sources étaient situées dans le ciel du nord, permettant aux analyseurs d’utiliser la Terre comme un filtre pour éliminer tout sauf les neutrinos.
En raison de l’orientation de la Terre dans la Voie Lactée, de nombreuses sources potentielles de neutrinos galactiques sont situées dans le ciel du sud.
« Cela signifie que les analyseurs ont dû concevoir d’autres méthodes pour réduire le bruit de fond des particules qui pleuvent sur le détecteur à partir d’interactions de rayons cosmiques dans l’atmosphère à proximité du pôle Sud« , a déclaré Cowen. « Ces particules obscurciraient complètement le signal de neutrino galactique. »
Le machine learning à la rescousse
L’ensemble de données utilisé dans l’étude comprenait 60 000 neutrinos couvrant 10 ans de données IceCube, soit 30 fois plus d’événements que la sélection utilisée dans une précédente analyse du plan galactique utilisant des événements en cascade. Ces neutrinos ont été comparés à des cartes de prédiction publiées précédemment, indiquant les endroits du ciel où la galaxie était censée briller en neutrinos.
Ces cartes comprenaient une carte établie à partir de l’extrapolation des observations de rayons gamma de la Voie lactée effectuées par le Fermi Large Area Telescope et deux cartes alternatives identifiées comme KRA-gamma par le groupe de théoriciens qui les ont produites.
La puissance de l’apprentissage automatique offre un grand potentiel pour l’avenir, en mettant d’autres observations à portée de main.
« Les preuves solides que la Voie lactée est une source de neutrinos de haute énergie ont survécu aux tests rigoureux de la collaboration« , a déclaré Ignacio Taboada, professeur de physique à l’Institut de technologie de Géorgie et porte-parole d’IceCube. « La prochaine étape consiste à identifier des sources spécifiques dans la galaxie.«
Ces questions, ainsi que d’autres, seront abordées lors des analyses de suivi prévues par IceCube.
Observer notre propre galaxie pour la première fois en utilisant des particules au lieu de la lumière est un grand pas en avant », a déclaré Naoko Kurahashi Neilson, professeur de physique à l’université Drexel et membre d’IceCube.
« Une contrepartie neutrino a maintenant été mesurée, confirmant ainsi ce que nous savons sur notre galaxie et les sources de rayons cosmiques« , a déclaré Steve Sclafani, doctorant en physique de Kurahashi Neilson et co-responsable de l’analyse.
L’observatoire de neutrinos IceCube est financé et exploité principalement grâce à une subvention de la National Science Foundation à l’université du Wisconsin-Madison. La collaboration IceCube, qui compte plus de 350 scientifiques répartis dans 58 institutions du monde entier, mène un vaste programme scientifique qui a jeté les bases de l’astronomie des neutrinos.
Légende illustration principale : Impression d’artiste de l’émission de neutrinos du plan galactique au-dessus du laboratoire IceCube. Crédit : IceCube/NSF. Photo originale prise par Martin Wolf. Tous droits réservés.
