Première image des "particules fantômes" de la galaxie de la Voie lactée capturée par des scientifiques : Neutrinos détectés par IceCube

29 juin 2023

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par l'Université de Wisconsin-Madison

Notre galaxie, la Voie lactée, est une caractéristique impressionnante du ciel nocturne, visible à l'œil nu comme une bande floue d'étoiles s'étendant d'un horizon à l'autre. Maintenant, pour la première fois, l'Observatoire des neutrinos IceCube a produit une image de la Voie lactée en utilisant des neutrinos, de minuscules messagers astronomiques fantômes. Dans un article à paraître dans la revue Science, la Collaboration IceCube, un groupe international de plus de 350 scientifiques, présente des preuves d'émission de neutrinos de haute énergie provenant de la Voie lactée.

Les neutrinos de haute énergie, avec des énergies des millions à des milliards de fois supérieures à celles produites par les réactions de fusion qui alimentent les étoiles, ont été détectés par l'Observatoire des neutrinos IceCube, un détecteur gigatonne en activité à la station polaire Amundsen-Scott, au pôle Sud.

Ce détecteur unique en son genre comprend un kilomètre cube de glace antarctique profonde équipée de plus de 5 000 capteurs de lumière. IceCube recherche des signes de neutrinos de haute énergie provenant de notre galaxie et au-delà, jusqu'aux confins de l'univers.

"Ce qui est intrigant, c'est que, contrairement au cas de la lumière de n'importe quelle longueur d'onde, dans les neutrinos, l'univers éclipse les sources proches de notre propre galaxie", explique Francis Halzen, professeur de physique à l'Université de Wisconsin-Madison et chercheur principal d'IceCube.

"Comme c'est souvent le cas, des percées significatives en science sont rendues possibles par des avancées technologiques", explique Denise Caldwell, directrice de la Division de la physique de la NSF. "Les capacités offertes par le détecteur IceCube hautement sensible, associées à de nouveaux outils d'analyse des données, nous ont donné une tout autre vision de notre galaxie, une vision qui n'avait été qu'effleurée auparavant. À mesure que ces capacités continueront d'être affinées, nous pourrons nous attendre à observer cette image émerger avec une résolution de plus en plus fine, révélant éventuellement des caractéristiques cachées de notre galaxie jamais vues auparavant par l'humanité."

Les interactions entre les rayons cosmiques - des protons de haute énergie et des noyaux plus lourds, également produits dans notre galaxie - et le gaz et la poussière galactiques produisent inévitablement à la fois des rayons gamma et des neutrinos. Compte tenu de l'observation de rayons gamma provenant du plan galactique, on s'attendait à ce que la Voie lactée soit une source de neutrinos de haute énergie.

"Un homologue neutrino a maintenant été mesuré, confirmant ainsi ce que nous savons sur notre galaxie et sur les sources de rayons cosmiques", déclare Steve Sclafani, doctorant en physique à l'Université de Drexel, membre d'IceCube et co-responsable de l'analyse.

La recherche s'est concentrée sur le ciel austral, là où la majeure partie de l'émission de neutrinos provenant du plan galactique est attendue près du centre de notre galaxie. Cependant, jusqu'à présent, le fond de muons et de neutrinos produits par les interactions des rayons cosmiques avec l'atmosphère terrestre posait d'importants défis.

Pour les surmonter, les collaborateurs d'IceCube de l'Université de Drexel ont développé des analyses qui sélectionnent les événements "cascade", c'est-à-dire les interactions neutrinos dans la glace qui donnent lieu à des gerbes de lumière approximativement sphériques. Étant donné l'énergie déposée par les événements cascade à l'intérieur du volume instrumenté, la contamination des muons atmosphériques et des neutrinos est réduite. En fin de compte, la plus grande pureté des événements cascade a permis une meilleure sensibilité aux neutrinos astrophysiques provenant du ciel austral.

Cependant, la percée finale est venue de la mise en œuvre de méthodes d'apprentissage automatique, développées par les collaborateurs d'IceCube à l'Université de TU Dortmund, qui améliorent l'identification des cascades produites par les neutrinos ainsi que leur direction et leur reconstruction énergétique. L'observation des neutrinos provenant de la Voie lactée marque la valeur critique émergente que l'apprentissage automatique apporte à l'analyse des données et à la reconstruction des événements dans IceCube.

"Les méthodes améliorées nous ont permis de conserver plus d'un ordre de grandeur d'événements neutrinos avec une meilleure reconstruction angulaire, ce qui a abouti à une analyse trois fois plus sensible que la recherche précédente", déclare Mirco Hünnefeld, membre d'IceCube, étudiant en doctorat en physique à l'Université de TU Dortmund et co-responsable de l'analyse.

Le jeu de données utilisé dans l'étude comprenait 60 000 neutrinos couvrant 10 années de données d'IceCube, 30 fois plus d'événements que la sélection utilisée dans une analyse précédente du plan galactique en utilisant des événements cascade. Ces neutrinos ont été comparés à des cartes de prédictions précédemment publiées de zones du ciel où l'on s'attendait à ce que la galaxie brille en neutrinos.

Les cartes comprenaient une carte extrapolée des observations par le télescope spatial Fermi d'aires larges des rayons gamma de la Voie lactée et deux cartes alternatives identifiées comme KRA-gamma par le groupe de théoriciens qui les a produites.

'This long-awaited detection of cosmic ray-interactions in the galaxy is also a wonderful example of what can be achieved when modern methods of knowledge discovery in machine learning are consistently applied,' says Wolfgang Rhode, professor of physics at TU Dortmund University, IceCube member, and Hünnefeld's advisor.

The power of machine learning offers great future potential, bringing other observations closer within reach.

'The strong evidence for the Milky Way as a source of high-energy neutrinos has survived rigorous tests by the collaboration,' says Ignacio Taboada, a professor of physics at the Georgia Institute of Technology and IceCube spokesperson. 'Now the next step is to identify specific sources within the galaxy.'

These and other questions will be addressed in planned follow-up analyses by IceCube.

'Observing our own galaxy for the first time using particles instead of light is a huge step,' says Naoko Kurahashi Neilson, professor of physics at Drexel University, IceCube member, and Sclafani's advisor. 'As neutrino astronomy evolves, we will get a new lens with which to observe the universe.'

More information: IceCube Collaboration, Observation of high-energy neutrinos from the Galactic plane, Science (2023). DOI: 10.1126/science.adc9818. www.science.org/doi/10.1126/science.adc9818

Luigi Antonio Fusco, Galactic neutrinos in the Milky Way, Science (2023). DOI: 10.1126/science.adi6277 , www.science.org/doi/10.1126/science.adi6277

Journal information: Science

Provided by University of Wisconsin-Madison