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Un neutrino «  fantomatique  » du trou noir déchiquetant des étoiles révèle un accélérateur de particules cosmiques aux proportions épiques

Une particule fantomatique qui s’est écrasée en Antarctique en 2019 a été attribuée à un trou noir déchirant une étoile tout en agissant comme un accélérateur de particules cosmiques géant, selon une nouvelle étude.

Les scientifiques ont étudié une sorte de particule subatomique connue sous le nom de neutrino, qui est générée par des réactions nucléaires et la désintégration radioactive d’atomes instables. Les neutrinos sont extraordinairement légers – environ 500 000 fois plus légers que l’électron.

Les neutrinos ne possèdent aucune charge électrique et n’interagissent que rarement avec d’autres particules. En tant que tels, ils peuvent facilement se glisser à travers la matière – une année-lumière de plomb, égale à environ 5,8 billions de milles (9,5 billions de kilomètres), ne ferait arrêter qu’environ la moitié des neutrinos qui la traversent.

Cependant, les neutrinos frappent parfois des atomes. Lorsque cela se produit, ils émettent des éclairs de lumière révélateurs, que les scientifiques ont déjà repérés pour confirmer leur existence.

Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont examiné un neutrino à très haute énergie qu’ils ont repéré le 1er octobre 2019, à l’aide de l’observatoire de neutrinos IceCube au pôle Sud.

Après que le trou noir supermassif dans la galaxie 2MASX J20570298 + 1412165 ait déchiré l'étoile, environ la moitié des débris de l'étoile a été projetée dans l'espace, tandis que le reste a formé un disque d'accrétion brillant autour du trou noir.

Après que le trou noir supermassif dans la galaxie 2MASX J20570298 + 1412165 ait déchiré l’étoile, environ la moitié des débris de l’étoile a été projetée dans l’espace, tandis que le reste a formé un disque d’accrétion brillant autour du trou noir. (Crédit d’image: DESY Science Communication Lab)

« Il s’est écrasé dans la glace antarctique avec une énergie remarquable de plus de 100 téra-électronvolts », a déclaré la co-auteur de l’étude Anna Franckowiak, maintenant à l’Université de Bochum en Allemagne, dans un communiqué. «À titre de comparaison, c’est au moins 10 fois l’énergie maximale des particules qui peut être obtenue dans l’accélérateur de particules le plus puissant du monde, le grand collisionneur de hadrons.

Vidéo: Neutrino remonte au trou noir déchiquetant une étoile
En rapport: Un comportement étrange des neutrinos pourrait expliquer le mystère de longue date de l’antimatière

Pour découvrir les origines d’un neutrino aussi puissant, les scientifiques ont tracé son chemin dans l’espace. Ils ont découvert qu’il provenait probablement de la galaxie désignée « 2MASX J20570298 + 1412165 » dans la constellation Delphinus, le dauphin, et se trouve à environ 750 millions d’années-lumière de la Terre.

Environ six mois avant que les scientifiques ne détectent le neutrino de haute énergie, les astronomes ont été témoins d’une lueur de cette galaxie en utilisant l’installation transitoire de Zwicky sur le mont Palomar en Californie. Cette lumière provenait probablement d’un trou noir déchiquetant une étoile, un soi-disant événement de perturbation des marées surnommé «AT2019dsg».

Les chercheurs suggèrent qu’une étoile s’est approchée trop près d’un trou noir supermassif au centre de la galaxie 2MASX J20570298 + 1412165, un environ 30 millions de fois plus massif que le soleil. Il a ensuite été déchiré par la gravité colossale du trou noir, une version extrême de la façon dont la lune fait monter et descendre les marées sur Terre.

Les scientifiques ont noté qu’environ la moitié des débris de l’étoile a été projetée dans l’espace, tandis que l’autre moitié s’est installée dans un disque tourbillonnant autour du trou noir. Lorsque la matière de cette étoile démantelée est tombée dans ce disque, elle est devenue plus chaude et a brillé suffisamment pour que les astronomes puissent la voir depuis la Terre.

Les chercheurs ont estimé que ce neutrino n’avait qu’une chance sur 500 de coïncider avec l’événement. Cela suggère que les scientifiques ont probablement détecté la première particule remontant à un événement de perturbation des marées.

« Les travaux théoriques ont longtemps prédit que les neutrinos pourraient provenir d’événements de perturbation des marées », a déclaré l’auteur principal de l’étude, Robert Stein, astronome multimessager au synchrotron électronique allemand (DESY) à Zeuthen, en Allemagne, à 45secondes.fr. « Ce travail est la première preuve d’observation à l’appui de cette affirmation. » Lui et ses collègues ont détaillé leurs résultats en ligne le 21 février dans la revue Nature Astronomy.

L'installation transitoire de Zwicky a capturé cet instantané de l'événement de perturbation des marées AT2019dsg (encerclé), le 19 octobre 2019.

L’installation transitoire de Zwicky a capturé cet instantané de l’événement de perturbation des marées AT2019dsg (encerclé), le 19 octobre 2019.
(Crédit d’image: Observatoires optiques ZTF / Caltech)

Ces nouvelles découvertes éclairent les événements de perturbation des marées, dont beaucoup reste inconnu. Plus précisément, les chercheurs ont suggéré que le neutrino provenait de jets de matière explosant près du disque d’accrétion du trou noir à presque la vitesse de la lumière, a déclaré Cecilia Lunardini, astrophysicienne des particules à l’Arizona State University. Elle et le co-auteur de l’étude Walter Winter à DESY ont détaillé leurs résultats en ligne le 22 février dans une étude complémentaire dans la revue Nature Astronomy.

Bien que ces jets relativistes aient probablement craché de nombreux types de particules, il s’agissait principalement de particules chargées électriquement, qui sont déviées par des champs magnétiques intergalactiques avant de pouvoir atteindre la Terre. En revanche, les neutrinos (qui n’ont pas de charge) peuvent voyager en ligne droite comme les rayons lumineux de l’événement de perturbation des marées.

Cette découverte n’est que la deuxième fois que des scientifiques retracent un neutrino de haute énergie jusqu’à sa source, a déclaré Stein. La première fois, en 2018, des astronomes ont retracé un tel neutrino jusqu’au blazar TXS 0506 + 056, une immense galaxie elliptique avec un trou noir supermassif à rotation rapide en son cœur.

« Savoir d’où viennent les neutrinos de haute énergie est une grande question en astrophysique des particules », a déclaré Stein. « Maintenant, nous avons plus de preuves qu’ils peuvent probablement provenir d’événements de perturbation des marées. »

Un aspect étrange de cette découverte était la façon dont le neutrino n’a été détecté que six mois après que le trou noir ait commencé à engloutir l’étoile. Ce que cela suggère, c’est que l’événement de perturbation des marées peut agir comme un accélérateur de particules cosmiques géant pendant des mois, a déclaré Stein.

Bien que les chercheurs n’aient détecté qu’un neutrino à partir de cet événement de perturbation des marées, « pour que nous puissions en détecter ne serait-ce qu’un seul, il devait y avoir des milliards et des milliards qu’il produisait », a déclaré Stein. « Nous avons eu la chance d’en voir un. »

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