Les neutrinos offrent une nouvelle perspective sur la Voie Lactée.

Des scientifiques ont réalisé la première image de la Voie lactée en utilisant des neutrinos.

Les particules subatomiques extrêmement légères n'ont aucune charge électrique et traversent facilement les gaz, la poussière et même les étoiles pour se rendre des lieux où elles se forment aux détecteurs ici sur Terre. Les neutrinos de haute énergie se déplacent dans tout le cosmos, mais leur origine reste généralement un mystère.

Maintenant, en combinant l'intelligence artificielle et les données collectées sur une décennie avec le détecteur IceCube en Antarctique, les chercheurs ont trouvé les premières preuves de neutrinos de haute énergie provenant de l'intérieur de la Voie lactée et ont cartographié les particules sur une image du plan de la galaxie. C'est la première fois que notre galaxie est visualisée avec autre chose que la lumière.

La carte comprend des suggestions de sources spécifiques de neutrinos de haute énergie à l'intérieur de la Voie lactée, qui pourraient être les restes d'explosions d'étoiles supernovae passées, les noyaux d'étoiles supergéantes effondrées ou d'autres objets encore non identifiés, rapporte l'équipe dans la revue Science du 30 juin. Cependant, des recherches supplémentaires sont nécessaires pour distinguer clairement ces types de caractéristiques dans les données.

Auparavant, seuls quelques neutrinos de haute énergie avaient pu être retracés jusqu'à leurs lieux de naissance potentiels, tous situés en dehors de la Voie lactée. Il s'agit notamment de deux neutrinos provenant de trous noirs arrachant leurs étoiles compagnes et d'autres d'une galaxie très active connue sous le nom de blazar.

"De nos jours, nous voyons assez clairement des neutrinos à la fois de l'espace galactique et extragalactique", déclare la physicienne Kate Scholberg de l'Université Duke, qui n'a pas participé à la recherche. "Il reste tellement de choses à apprendre, et il peut être extrêmement intéressant de comprendre comment voir l'univers avec des yeux de neutrinos."

Grâce à l'astronomie des neutrinos, il pourrait être possible de voir des objets lointains d'une manière que nul autre télescope ne peut égaler. C'est parce que les neutrinos peuvent traverser d'énormes étendues d'espace sans être absorbés ou déviés. En revanche, les rayons X, les rayons gamma, la lumière optique et les particules chargées qui composent les rayons cosmiques peuvent être déviés ou absorbés en cours de route, ce qui peut obscurcir leurs origines.

Pour la physicienne Naoko Kurahashi Neilson de l'Université Drexel à Philadelphie, la carte produite par son équipe est la dernière contribution à un changement dans la science des neutrinos. Par le passé, les observatoires de neutrinos comme IceCube ne fournissaient pas les mêmes vues du ciel que les télescopes qui se fiaient à la lumière optique, aux rayons X ou aux rayons gamma.

"Quand j'ai rejoint IceCube", dit Kurahashi Neilson, "je faisais des guillemets" lorsque j'utilisais le terme "astronomie des neutrinos". "Je ne le fais plus... je n'ai plus à le faire parce que nous commençons à résoudre des choses" dans les images de neutrinos qui ressemblent aux images astronomiques des autres télescopes.

Dans ces trois vues, la Voie lactée est visible en lumière visible (en haut), en rayons gamma (au milieu) et en neutrinos de haute énergie (en bas). Cette première carte basée sur des particules est basée sur des données collectées avec l'énorme détecteur IceCube intégré profondément dans la glace de l'Antarctique. La poussière occulte certaines parties de la carte en lumière visible, et les rayons gamma peuvent provenir de diverses sources. Les neutrinos ont le potentiel de localiser les endroits où les rayons cosmiques de haute énergie issus des restes de supernovae, des noyaux d'étoiles géantes effondrées ou d'autres sources encore non identifiées interagissent avec la poussière de la galaxie, créant ainsi les neutrinos.

L'inconvénient des neutrinos est qu'ils sont extrêmement difficiles à détecter. L'expérience IceCube est énorme en partie pour surmonter ce défi. Elle est constituée de 5 160 capteurs disposés en cube d'un kilomètre de côté intégré profondément dans la glace de l'Antarctique. La grande taille de l'expérience augmente les chances de voir une infime fraction des neutrinos traversant l'espace depuis la Voie lactée et d'autres endroits dans le cosmos.

Sur les 100 000 neutrinos environ observés chaque année par les scientifiques d'IceCube, certains laissent des traces longues dans le détecteur qui peuvent potentiellement indiquer d'où viennent les neutrinos. Beaucoup des signaux de neutrinos dans IceCube sont cependant des événements en cascade. Ils produisent des éclairs de lumière dans le détecteur, mais ne révèlent pas aussi bien l'origine des neutrinos que les traces.

"Ces données étaient autrefois jetées en termes d'astronomie", déclare Kurahashi Neilson. Il reste néanmoins des informations indiquant d'où proviennent les neutrinos dans les données. Mais il est difficile d'identifier les cascades prometteuses parmi les centaines de milliers d'événements de fond sans signification collectés par IceCube.

Kurahashi Neilson a décidé de relever le défi en examinant une décennie de données en cascade d'IceCube avec l'aide d'un système d'intelligence artificielle connu sous le nom de réseau neuronal. "Vous pouvez former les réseaux neuronaux pour identifier quels événements valent la peine d'être conservés... [et] quels événements ressemblent davantage à des événements de fond", explique Kurahashi Neilson.

It’s an approach Kurahashi Neilson pioneered in 2017 and steadily improved until she and her colleagues were able to identify the neutrinos used in the new map.

“It’s an impressive analysis and the techniques may well not yet be pushed to their limits,” Scholberg says. “Clearly a lot more work needs to be done, but it’s very exciting to see the basic expectation [of Milky Way neutrinos] verified. This is an important step forward in understanding of the high-energy particle sky.”

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