Une équipe internationale de chercheurs, dont l’Institut Kavli pour la physique et les mathématiques de l’univers (Kavli IPMU, WPI), a utilisé un décalage entre les particules élémentaires et les rayons gamma de NGC 1068 pour proposer une nouvelle voie par laquelle les neutrinos peuvent être produits.
La glace antarctique a des yeux qui peuvent voir des particules élémentaires appelées neutrinos, et ce qu’ils ont observé, ce sont des scientifiques déroutants: un signal de neutrinos remarquablement fort accompagné d’une émission de rayons gamma étonnamment faible dans la galaxie NGC 1068, également connue sous le nom de Galaxie de Squid. Les «yeux» sont une collection de détecteurs enterrés dans un kilomètre cube de glace appelé l’observatoire de neutrinos Icecube. Les physiciens théoriciens de l’UCLA, de l’Université d’Osaka et de l’Institut Kavli pour la physique et les mathématiques de l’univers utilisent ses observations de NGC 1068 pour proposer une toute nouvelle route par laquelle les neutrinos peuvent être produits.
Les données NGC 1068 sont perplexes car généralement, les neutrinos énergétiques des centres galactiques actifs proviennent des interactions entre les protons et les photons, produisant des rayons gamma d’intensité comparable. Cependant, l’émission de rayons gamma de NGC 1068 est significativement plus faible que prévu et montre une forme spectrale distinctement différente. Les modèles traditionnels, y compris ceux basés sur les collisions de protons-photons et les émissions de la région de plasma chaud de la galaxie connue sous le nom de «Corona», ont été largement utilisés pour expliquer de tels signaux de neutrinos, mais ils ont fait face à des limitations théoriques, ce qui a suscité la recherche d’une nouvelle explication.
Dans un article publié dans Lettres d’examen physiqueles chercheurs suggèrent que les neutrinos à haute énergie de NGC 1068 résultent principalement de la décroissance des neutrons lorsque les noyaux d’hélium dans la rupture de jet de la galaxie sous un rayonnement ultraviolet intense. Lorsque ces noyaux d’hélium entrent en collision avec des photons ultraviolets émis par la région centrale de la galaxie, ils se fragment, libérant des neutrons qui se décomposent par la suite en neutrinos. Les énergies des neutrinos résultantes correspondent aux observations.
De plus, les électrons générés par ces désintégrations nucléaires interagissent avec les champs de rayonnement environnant, créant des rayons gamma compatibles avec l’intensité inférieure observée. Ce scénario explique avec élégance pourquoi le signal de neutrinos surpasse considérablement l’émission de rayons gamma et explique le spectre d’énergie distinct observé dans les raies de neutrinos et de gamma.
La percée aide les scientifiques à comprendre comment les jets cosmiques dans les galaxies actives peuvent émettre de puissants neutrinos sans un éclat de rayon gamma correspondant, jetant une nouvelle lumière sur les conditions extrêmes et complexes entourant des trous noirs supermassifs, y compris celui au centre de notre propre galaxie.
« Nous ne savons pas grand-chose sur la région centrale et extrême près du centre galactique de NGC1068 », a déclaré le co-auteur Alexander Kusenko, professeur de physique et d’astronomie à l’Université de Californie Los Angeles (UCLA) et un chercheur principal à Kavli IPMU. «Si notre scénario est confirmé, il nous dit quelque chose sur l’environnement près du trou noir supermassif au centre de cette galaxie.»
En outre, il confirme l’existence de sources de neutrophysiques «cachées», dont les signaux auraient pu être passés inaperçus en raison de leurs signatures de rayons gamma faibles.
Les neutrinos sont des particules subatomiques qui interagissent seulement très faiblement avec la gravité et peuvent passer à travers la matière. Cela les rend encore plus difficiles à détecter que les autres particules subatomiques, telles que les électrons. L’observatoire de neutrinos Icecube se compose de 5 160 capteurs enfouis dans une glace antarctique claire et comprimée qui recherche des événements qui pourraient être produits par les neutrinos lorsqu’ils traversent la glace, interagissent avec elle et créent des particules chargées.
« Nous avons des télescopes qui utilisent la lumière pour regarder les étoiles, mais bon nombre de ces systèmes astrophysiques émettent également des neutrinos », a déclaré Kusenko. « Pour voir les neutrinos, nous avons besoin d’un type de télescope différent, et c’est le télescope que nous avons au pôle Sud. »
Les neutrinos sont généralement produits lorsque les protons accélérés interagissent avec les photons, émettant un rayonnement gamma d’une force d’énergie similaire à celle du neutrino. Ainsi, les neutrinos énergétiques sont généralement associés à des rayons gamma énergétiques.
Le télescope de neutrinos Icecube a cependant détecté des neutrinos très énergiques provenant de NGC 1068 accompagnés d’un flux de rayons gamma faible, laissant entendre que les neutrinos peuvent avoir été produits d’une manière différente.
Le nouveau papier propose que si un noyau d’hélium accélère dans le jet d’un trou noir supermassif, il s’écrase en photons et se sépare, renversant ses deux protons et deux neutrons dans l’espace. Les protons peuvent s’envoler, mais les neutrons sont instables et se désagrègent, ou se décomposent en neutrinos, sans produire de rayons gamma.
«L’hydrogène et l’hélium sont les deux éléments les plus courants de l’espace», a déclaré le premier auteur et doctorant de l’UCLA, Koichiro Yasuda. « Mais l’hydrogène n’a qu’un proton et si ce proton se déroule en photons, il produira à la fois des neutrinos et de forts rayons gamma. Mais les neutrons ont une façon supplémentaire de former des neutrinos qui ne produisent pas les rayons gamma. L’hélium est donc l’origine la plus probable des neutrinos que nous observons à partir de NGC 1068. »
Le scénario met en lumière les environnements extrêmes autour des trous noirs supermassifs au centre de nombreuses galaxies, notamment NGC 1068 et les nôtres, où la gravité et l’énergie insondablement immenses séparent littéralement les atomes. Bien qu’il n’y ait pas nécessairement une ligne droite de la compréhension du centre galactique aux améliorations du bien-être humain, les connaissances acquises grâce à l’étude des particules comme les neutrinos et les rayonnements comme les rayons gamma ont tendance à réduire la technologie en baisse des chemins surprenants et transformateurs.
« Lorsque JJ Thompson a reçu le prix Nobel de physique de 1906 pour la découverte des électrons, il a donné un toast lors d’un dîner après la cérémonie, disant que c’était probablement la découverte la plus inutile de l’histoire », a déclaré Kusenko. «Et, bien sûr, chaque smartphone, chaque appareil électronique aujourd’hui, utilise la découverte que Thompson a fait il y a près de 125 ans.»
Kusenko a également déclaré que la physique des particules avait donné naissance à Internet, qui est originaire d’un réseau développé par des physiciens qui devaient déplacer de grandes quantités de données entre les laboratoires. Et il a souligné que la découverte de la résonance magnétique nucléaire semblait obscure à l’époque, mais a conduit au développement de la technologie d’imagerie par résonance magnétique, qui est désormais utilisée régulièrement en médecine.
«Nous nous tenons au tout début du nouveau champ de l’astronomie des neutrinos, et les mystérieux neutrinos de NGC 1068 sont l’un des puzzles que nous devons résoudre en cours de route», a déclaré Kusenko. «L’investissement dans la science va produire quelque chose que vous ne pourrez peut-être pas apprécier maintenant, mais pourrait produire quelque chose de grandes décennies plus tard. C’est un investissement à long terme et les entreprises privées hésitent à investir dans le type de recherche que nous faisons. C’est pourquoi le financement gouvernemental pour la science est si important, et c’est pourquoi les universités sont si importantes.»
Motoko Kakubayashi
Institut Kavli pour la physique et les mathématiques de l’univers
motoko.kakubayashi@ipmu.jp
Bureau: 0081-471-365-980
Questions fréquemment posées
Quelles sont les progrès récents de la recherche sur les neutrinos liés à la galaxie du calmar (NGC 1068)?
Les progrès récents de la recherche sur les neutrinos concernant la galaxie du calmar (NGC 1068) impliquent une nouvelle proposition de production de neutrinos basée sur des observations de l’observatoire de neutrinos Icecube. Les chercheurs suggèrent que les neutrinos à haute énergie résultent de la désintégration des neutrons lorsque les noyaux d’hélium dans le fragment de jet de la galaxie sous un rayonnement ultraviolet intense, produisant un fort signal de neutrinos avec des émissions de rayons gamma inattendue.
Comment les neutrinos et les rayons gamma se comportent-ils différemment dans NGC 1068?
Dans NGC 1068, les neutrinos sont détectés à des niveaux d’énergie beaucoup plus élevés par rapport aux émissions de rayons gamma faibles. En règle générale, les neutrinos énergétiques sont produits aux côtés de forts rayons gamma à partir d’interactions proton-photon. Cependant, les résultats uniques de NGC 1068 indiquent que les neutrinos à haute énergie proviennent des noyaux d’hélium se décomposant en neutrons, qui se transforment ensuite en neutrinos, conduisant à un décalage dans l’intensité attendue du rayon gamma.
Pourquoi les neutrinos sont-ils difficiles à détecter, et comment l’observatoire Icecube Neutrinos aide-t-il?
Les neutrinos sont difficiles à détecter car ils interagissent très faiblement avec la matière, ce qui les rend insaisissables par rapport aux autres particules subatomiques. L’observatoire de neutrinos Icecube, situé en Antarctique, utilise un kilomètre cube de glace incrustée avec des capteurs qui détectent les signaux faibles produits lorsque les neutrinos interagissent avec la glace, permettant aux scientifiques d’étudier ces particules insaisissables et leurs origines.
Quelle est la signification de la compréhension des neutrinos de NGC 1068 pour l’astrophysique?
Comprendre les neutrinos de NGC 1068 est significatif pour l’astrophysique car il fournit un aperçu des environnements extrêmes entourant les trous noirs supermassifs. La recherche révèle des sources de neutrinos astrophysiques «cachées» potentielles et aide à expliquer comment les jets cosmiques peuvent émettre de puissants neutrinos sans émissions de rayons gamma correspondants, améliorant ainsi notre connaissance des galaxies actives.
Comment les découvertes dans l’astronomie des neutrinos pourraient-elles influencer la technologie future?
Les découvertes de l’astronomie des neutrinos, telles que celles liées au NGC 1068, ont le potentiel de conduire à des technologies transformatrices, tout comme les progrès antérieurs en physique des particules qui ont influencé le développement d’Internet et de l’imagerie médicale. Alors que les chercheurs explorent les mystères des neutrinos, les connaissances acquises pourraient ouvrir la voie à des innovations qui ne sont pas immédiatement évidentes mais qui peuvent avoir des impacts importants à long terme sur la technologie
