Des neutrinos de haute énergie provenant du noyau actif galactique (AGN) au cœur de la galaxie Messier 77 ont été détectés par l'observatoire de neutrinos IceCube. Également connue sous le nom de NGC 1068, la galaxie abrite un trou noir supermassif et les observations ouvrent une fenêtre sur les processus violents censés créer des rayons cosmiques.
Les neutrinos sont des particules insaisissables qui interagissent à peine avec d'autres matières et peuvent facilement traverser la Terre. Glaçon utilise un kilomètre cube de glace sous le pôle Sud pour observer des collisions extrêmement rares entre les neutrinos cosmiques et les molécules d'eau. Ces interactions produisent des particules chargées en mouvement rapide qui créent des éclairs de lumière dans la glace appelés rayonnement Cherenkov. La lumière est capturée par un réseau de plus de 5000 détecteurs dans la glace, permettant aux physiciens travaillant dans la collaboration IceCube de déterminer d'où proviennent les neutrinos.
IceCube a annoncé son premières observations de neutrinos cosmiques de haute énergie en 2013 et cinq ans plus tard, il a fait la toute première détection d'un neutrino cosmique de haute énergie d'un type d'AGN appelé blazar.
Maintenant, les scientifiques d'IceCube rapportent leur plus gros transport de neutrinos de haute énergie jamais réalisé. Ce sont 79 particules de M77, qui est une galaxie de 47 millions de lumière-années de suite. Les observations ont été enregistrées entre mai 2011 et mai 2020 et la collaboration estime que les neutrinos ont émergé du cœur de l'AGN de M77, qui est autrement caché à notre vue par un épais tore de poussière et de gaz.
Connexion aux rayons cosmiques
Les astrophysiciens pensent que les 79 neutrinos de haute énergie ont été créés lorsque des particules chargées telles que les protons sont accélérées à des énergies élevées par des champs magnétiques au sein de l'AGN. Certaines de ces particules accélérées s'échapperont du trou noir et deviendront des rayons cosmiques. D'autres entreront en collision avec des particules ou des photons à l'intérieur de l'AGN pour produire une poignée de mésons. Ces mésons se désintègrent ensuite rapidement en rayons gamma et en neutrinos. Dans M77, les rayons gamma sont atténués par le tore poussiéreux de la galaxie, mais la plupart des neutrinos traversent sans encombre – certains atteignant finalement la Terre.
Il est très probable que l'accélération des particules implique les champs magnétiques puissants et torsadés qui existent dans un AGN. Cependant, on ne sait pas où cette accélération magnétique se produit. Les emplacements possibles incluent le disque d'accrétion de matière qui tourbillonne dans le trou noir supermassif ou la couronne incandescente, qui est la région très chaude entourant immédiatement le trou noir. Une autre possibilité est que l'accélération se produise dans les jets de matière qui sortent de l'AGN dans des directions perpendiculaires au disque d'accrétion.
Frances Halzen de l'Université du Wisconsin, Madison, qui dirige la collaboration IceCube, raconte Monde de la physique que les observations révèlent que les neutrinos proviennent d'une région de l'AGN appelée « cocon », c'est une région centrale de l'AGN dans laquelle la matière est expulsée par les jets et enveloppe la couronne.
Aucun rayon gamma détecté
"Les photons [gamma-ray] qui sont inévitablement produits avec les neutrinos perdent de l'énergie dans le noyau dense et émergent à des énergies plus basses", explique-t-il. "Ceci est souligné par le fait que le satellite Fermi [gamma-ray] de la NASA ne détecte pas la source dans la gamme d'énergie des neutrinos détectés."
L'opinion conventionnelle est que la plupart des particules et des rayonnements émis par un AGN proviennent du disque d'accrétion chaud, mais des doutes se sont accrus quant à la véracité de ce modèle thermique d'émission. Andy Laurent de l'Université d'Édimbourg souligne que certains AGN ont une luminosité variable et que ces fluctuations se produisent trop rapidement pour être associées à des modifications du disque d'accrétion. Lawrence, qui n'est pas impliqué dans la collaboration IceCube, ajoute "Il se peut qu'une théorie de disque plus sophistiquée plus une émission non thermique d'accompagnement dans la couronne de disque ou le jet puisse faire l'affaire."
En effet, cette dernière observation d'IceCube semble étayer l'idée que l'accélération des particules se produit dans la couronne de l'AGN plutôt que dans le disque d'accrétion.
La prochaine génération
Bien que le mystère de l'accélération des particules dans un AGN ne puisse être résolu avec ces 79 neutrinos, et la mise à niveau du détecteur appelé IceCube Génération 2 devrait s'achever d'ici 2033.
IceCube identifie quatre galaxies comme sources probables de rayons cosmiques
Halzen dit que la génération 2 a été conçue pour étudier les sources de neutrinos telles que les AGN. "Le détecteur aura plus de huit fois le volume d'IceCube et, surtout, une meilleure résolution angulaire également. La combinaison des deux permettra des détections avec une année de données plutôt qu'une décennie comme c'est le cas actuellement.
Messier 77 est une galaxie bien étudiée par les astronomes amateurs et professionnels. Comprendre comment il produit des neutrinos de haute énergie pourrait donc permettre à M77 de devenir une pierre de Rosette pour comprendre d'autres galaxies actives.
La recherche est décrite dans Sciences.
