lundi 2 mai 2016

Une piste extragalactique pour le neutrino ultra-énergétique Big Bird

La bouffée de rayonnement de PKS B1424-418 observée par TANAMI entre septembre 2012 et mars 2013 (TANAMI).
Des astrophysiciens viennent de mettre en évidence un lien probable entre la détection d'un neutrino ultra-énergétique et l'éruption de rayonnement d'un trou noir supermassif situé à 10 milliards d'années-lumière. 




Cette galaxie qui a connu cette "éruption" de rayonnement se nomme PKS B1424-418, et l'événement en question a eu lieu pour nous le 4 décembre 2012. C'est ce jour là que les chercheurs de la collaboration IceCube, qui exploite un énorme détecteur de neutrinos dans la glace de l'Antarctique ont détecté un neutrino hors du commun par l'énergie qu'il avait : 2 Peta-électronvolt (2 millions de milliards d'électron-volts, soit environ l'équivalent de la masse de 2 millions de protons). Comme tous les neutrinos ultra-énergétiques détectés par IceCube, ce dernier s'est vu affublé d'un nom extrait de la série pour enfant Sesame Street : Big Bird. A cette date, Big Bird, était le recordman des neutrinos énergétiques et il n'a été supplanté que par un seul spécimen depuis maintenant 4 ans.
Le but des astrophysiciens des particules n'est pas seulement de montrer l'existence de telles particules extrêmes mais surtout de comprendre quelle est leur origine. Les chercheurs qui exploitent IceCube ne peuvent malheureusement que fournir une zone assez imprécise pour la direction d'origine de Big Bird : celle-ci couvre un surface de 32 degrés dans le ciel austral (l'équivalent de 64 pleines lunes).
Matthias Kadler (Université de Wurzburg) et ses collaborateurs, ont ainsi cherché une éventuelle contrepartie électromagnétique, des photons, quelle que soit leur énergie, qui aurait été observable au même moment et dans la même zone du ciel que Big Bird. 
C'est le télescope gamma Fermi-LAT qui a fourni un indice très intéressant. Il a été le témoin en 2012 de cette violente bouffée de rayons gamma de longue durée en provenance de la galaxie active PKS B1424-418, que l'on qualifie volontiers de blazar. Il s'agit en fait de l'émission du trou noir supermassif de la galaxie en question, qui émet des jets de rayonnement et de particules le long de son axe de rotation, et dont l'un des deux jets tire exactement dans notre direction.
Cette éruption soudaine, qui a duré près d'un an, a montré une intensité multipliée par 30 par rapport à la normale pour ce blazar. Et elle se situait exactement dans la zone d'origine la plus probable pour le neutrino Big Bird. Mais PKS B1424-418 n'était pas la seule galaxie active dans cette région du ciel... Les astrophysiciens se sont donc orientés vers d'autres données, notamment des données d'ondes radio du programme TANAMI (Tracking Active Galactic Nuclei with Austral Milliarcsecond Interferometry).

Le ciel gamma observé par Fermi LAT montrant le blazar PKS B1424-418, centré sur le 8 juillet 2011 à gauche et sur le 27 février 2013 à droite (somme de 300 jours pour chaque image). La zone pointillée représente la zone d'origine estimée pour le neutrino Big Bird détecté le 4 décembre 2012  (NASA/DOE/LAT Collaboration)
TANAMI a produit un suivi dans le temps d'une petite centaine de galaxies actives depuis 2007, incluant de nombreuses sources éruptives détectées par Fermi, comme PKS B1424-418. Cette galaxie a été observée à trois reprises entre 2011 et 2012, durant la période de forte intensité détectée par Fermi. Ce qu'ont réussi à mettre en évidence les astrophysiciens allemands qui publient leur étude dans Nature Physics, c'est que PKS B1424-418 est la seule galaxie active scrutée par TANAMI qui montre une évolution très rapide du cœur du jet du trou noir : il a été l'objet de 4 sursauts d'émission gamma durant sa période suractive, au moment même où Big Bird était détecté en Antarctique. 
Les chercheurs se sont tout de même assuré que le blazar PKS B1424-418 était à même de produire des neutrinos avec une énergie de 2 PeV, grâce à la mesure du spectre en énergie des gamma avec différents télescopes. Et c'est le cas, mais il reste en revanche une plage d'incertitude non négligeable sur le lien ente les deux phénomènes, les chercheurs ont évalué la probabilité que les deux événements aient eu lieu en coïncidence fortuite à 5%. 
Francis Halzen (Université du Wisconsin), le responsable scientifique de la collaboration IceCube, qui n'est pas impliqué dans cette nouvelle étude, estime que ce résultat est très prometteur : "IceCube va bientôt pouvoir envoyer en temps-réel des alertes quand un neutrino énergétique sera détecté et pourra être localisé dans une zone d'environ 0,5° de large (la taille de la pleine Lune, NDLR). Nous ouvrons doucement une fenêtre à neutrinos sur l'Univers...".

Cette nouvelle étude met en relief l'importance de l'utilisation de  messagers multiples pour comprendre les phénomènes astrophysiques complexes. C'est vrai pour les neutrinos comme pour les ondes gravitationnelles, qui ont toujours besoin des photons pour compléter le puzzle qu'ils laissent entrevoir.

Source : 

Coincidence of a high-fluence blazar outburst with a PeV-energy neutrino event.
M. Kadler, 
Nature Physics on line (18 April 2016)