Une étoile déchirée en lambeaux après avoir approché un trou noir. Les scientifiques ont détecté pour la première fois un neutrino – la “particule fantôme” – d’un tel événement.
DESY, laboratoire de communication scientifique
Le 1er octobre 2019, la Terre a été frappée par une balle cosmique invisible de haute énergie se déplaçant à presque la vitesse de la lumière. Des milliards de ces balles intergalactiques traversent notre corps chaque deuxième sans que nous le sachions même, il n’y a donc pas de grande préoccupation pour la planète – mais ce projectile particulier était spécial. Au fond du monde, la particule fantomatique a rencontré sa fin après avoir heurté une molécule de glace. Heureusement, il l’a fait juste à côté d’un détecteur extrêmement sensible intégré sous le pôle Sud.
La détection a déclenché une chasse intergalactique pour le Pistolero céleste. Qu’est-ce qui avait tiré la balle?
Dans une nouvelle recherche, publiée lundi dans la revue Nature Astronomy, les scientifiques détaillent la détection d’une particule subatomique – connue sous le nom de neutrino – à l’Observatoire de neutrinos IceCube en Antarctique. En utilisant les données du Zwicky Transient Facility de l’Observatoire Palomar de Californie, les chercheurs ont pu retracer les origines de la balle subatomique jusqu’à un événement extrême il y a environ 700 millions d’années: la destruction cataclysmique d’une étoile alors qu’elle était déchiquetée par un trou noir.
C’est la première fois qu’un tel événement est lié à une détection de neutrinos.
Les neutrinos sont souvent décrits comme des «particules fantômes» car ils n’ont pas de charge électrique et ont des masses extrêmement petites. Comme la lumière, ils voyagent essentiellement en ligne droite depuis leur destination. D’autres particules chargées sont à la merci des champs magnétiques, mais les neutrinos ne font que traverser le cosmos sans obstacle. Nous savons qu’ils se déversent du cœur du soleil en quantités énormes, et sur Terre nous pouvons les créer dans des réacteurs nucléaires et des accélérateurs de particules.
En avril 2019, l’installation de Zwicky a détecté une lueur brillante autour d’un trou noir à environ 700 millions d’années-lumière. L’éclat de lumière a été produit lorsqu’une étoile s’est déplacée trop près du trou noir, qui est environ 30 millions de fois plus massif que le soleil. L’immense gravité du trou noir a étiré l’étoile et finalement elle a été spaghettifié, déchiré par les forces extrêmes. Ceci est connu comme un «événement de perturbation des marées» ou TDE.
La fin violente de l’étoile est un début brillant pour les astronomes. Ils ont pu relier le TDE à la détection du neutrino par IceCube. Les chercheurs théorisent que le TDE a jeté environ la moitié de l’étoile brisée dans l’espace tandis que le reste s’est installé autour du trou noir dans un gigantesque “disque d’accrétion” de poussière, de gaz et de débris chauds et brillants. Les énergies sauvages autour du trou noir du disque entraînent d’énormes jets de matière projetés hors du système. Ces jets peuvent durer des centaines de jours et pourraient expliquer le petit laps de temps entre la vue du TDE et la détection du neutrino à IceCube.
Les astrophysiciens pensent que cela montre l’existence d’un «moteur central» qui fonctionne comme un Naturel accélérateur de particules et peut créer des neutrinos de haute énergie, dont certains peuvent entrer en collision avec la Terre.
«Le neutrino est apparu relativement tard, six mois après le début de la fête des étoiles», a déclaré Walter Winter, astrophysicien théoricien du synchrotron électronique allemand, ou DESY. “Notre modèle explique ce timing naturellement.”
Winter et sa co-auteure Cecilia Lunardini ont publié lundi leur modélisation dans le même numéro de Nature Astronomy.
Voici à quoi ressemble le disque d’accrétion autour d’un trou noir supermassif. Les jets s’écoulent du trou noir central. La lumière au-dessus du trou noir est en fait du côté opposé du trou – le trou noir plie l’espace-temps pour donner l’impression qu’il est entouré de lumière.
DESY, laboratoire de communication scientifique
La découverte d’un neutrino émanant d’un TDE est une percée pour les astronomes qui espèrent comprendre l’univers d’une nouvelle manière. Les scientifiques n’ont pu que retracer un neutrino jusqu’à sa source une fois auparavant. C’est IceCube qui a également fait cette détection. En 2017, des chercheurs de l’observatoire ont détecté la signature révélatrice d’un neutrino et alerté les astronomes du phénomène. Les télescopes ont pu retracer la source du neutrino jusqu’à une galaxie lointaine qui abritait un “blazar” – un énorme trou noir entouré d’un disque d’accrétion avec un jet dirigé directement chez l’observateur.
Les deux détections montrent toutes deux que les trous noirs sont des pistolets intergalactiques, tirant des particules fantômes depuis l’espace lointain à travers l’univers. Cela pourrait aider les astronomes à mieux comprendre les processus qui se produisent à proximité d’un trou noir et pourrait même commencer à résoudre un mystère qui hante l’astrophysique depuis les années 1960: d’où viennent les rayons cosmiques à très haute énergie qui se fracassent parfois dans l’atmosphère terrestre?
Les chercheurs ont détecté un certain nombre de TDE depuis que l’installation transitoire de Zwicky a commencé à étudier le ciel, et à l’avenir, des télescopes plus sensibles pourraient être en mesure de relier davantage ces particules à haute énergie aux événements. IceCube sera également essentiel pour améliorer notre compréhension. L’observatoire devrait être modernisé au cours des saisons 2022 et 2023 de l’Antarctique, malgré la pandémie, ce qui devrait multiplier par 10 le nombre de détections de neutrinos.
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