Les rayons cosmiques sont des particules accélérées qui arrivent sur Terre avec des énergies prodigieuses, totalement inaccessibles aux collisionneurs créés par l'Homme. Ces particules chargées sont déviées par les champs magnétiques baignant l'Univers et leur provenance apparente ne dit rien de leur origine. À ce jour, aucune source de rayons cosmiques de très hautes énergies n’a pu être identifiée et le mécanisme d’accélération de ces particules reste une énigme.
L’astronomie « multi-messager », associant ici
neutrino et photon gamma, pourrait changer la donne. Les rayons gamma à haute énergie sont en effet abondamment produits au cours des événements de haute énergie, renseignant sur la localisation, la morphologie et le spectre en énergie des sources. Les neutrinos émis par les particules accélérées sont, quant à eux, très difficiles à détecter mais pourront tracer les sources de rayons cosmiques.
Le CEA-Irfu (Institut de Recherche sur les lois Fondamentales de l’Univers) participe à cette quête avec l’observatoire gamma à haute énergie H.E.S.S., en Namibie, en étroite relation avec les télescopes à neutrinos IceCube et Antares. Ces derniers sont équipés d’un système d’alerte rapide capables d’annoncer aux télescopes partenaires une détection après seulement quelques dizaines de secondes.
Le 22 septembre 2017, un neutrino à 290 téraélectronvolts1 a été repéré par IceCube, déclenchant une alerte 43 secondes plus tard. La direction d’origine du neutrino pointe vers un blazar à rayons gamma bien connu, c’est-à-dire un noyau actif de galaxie possédant des jets de particules dirigés vers la Terre. Cette source est devenue observable par H.E.S.S. en Namibie environ quatre heures plus tard mais aucune émission gamma n'a été détectée dans cette zone.
Or plus tôt, depuis avril 2017, l’observatoire spatial Fermi de rayons gamma de plus basse énergie que H.E.S.S. avait détecté d’inhabituelles variations de flux du blazar pendant plusieurs semaines, signalant une phase active du blazar.
Cette coïncidence a alors suscité une vaste campagne d’observations allant des fréquences radio aux rayons gamma de haute énergie.
Il reste cependant une probabilité de 0,1 % que la coïncidence de l'événement neutrino avec le sursaut du blazar soit le fruit du hasard.
Les physiciens du CEA-Irfu, qui coordonnent ces observations avec H.E.S.S., préparent la mise en service de CTA (Cherenkov Telescope Array) qui sera un instrument de tout premier plan pour ces recherches.
1 Unité de mesure d’énergie valant 1012 électronvolts, un électronvolt correspond à l’énergie acquise par un électron accéléré par une différence de potentiel d’un volt
Des neutrinos détectés sous la glace de l’Antarctique
IceCube est un observatoire de neutrinos d'un kilomètre cube situé sous le pôle Sud. C'est le plus grand détecteur de neutrinos au monde. Comportant plus de 5 000 photomultiplicateurs situés entre 1,5k à 2,5km de profondeur, il a été achevé en 2010 après 5 années de travaux.
En haut : Photographie du télescope à neutrinos IceCube en surface au pôle Sud. © Amble / En bas : Vue schématique de l’évènement IceCube-170922A. Le code couleur représente le temps d’arrivée des signaux dans le détecteur (allant du rouge au bleu). © IceCube, University Madison-Wisconsin