Composition d’artiste de la Voie lactée vue avec une lentille à neutrinos (bleu). Crédit : IceCube Collaboration/U.S. National Science Foundation (Lily Le & ; Shawn Johnson)/ESO (S. Brunier)
Pour la première fois, l’observatoire de neutrinos IceCube a créé une image de la Voie lactée en utilisant des neutrinos, particules minuscules et insaisissables du cosmos. Ces données révolutionnaires proviennent d’une collaboration internationale de plus de 350 scientifiques et sont soutenues par la National Science Foundation et quatorze autres pays. L’observatoire révolutionnaire est situé au pôle Sud et utilise plus de 5 000 capteurs de lumière pour détecter les neutrinos à haute énergie provenant de notre galaxie et d’ailleurs.
Notre Voie lactée est un élément impressionnant du ciel nocturne, visible à l’œil nu sous la forme d’une bande brumeuse d’étoiles s’étendant d’un horizon à l’autre. Pour la première fois, l’observatoire de neutrinos IceCube a produit une image de la Voie lactée à l’aide de neutrinos, de minuscules messagers astronomiques fantomatiques. Dans un article publié le 30 juin dans la revue Science, la collaboration IceCube, un groupe international de plus de 350 scientifiques, présente des preuves de l’émission de neutrinos de haute énergie en provenance de la Voie lactée.
Les neutrinos de haute énergie, dont l’énergie est des millions à des milliards de fois supérieure à celle produite par les réactions de fusion qui alimentent les étoiles, ont été détectés par l’observatoire de neutrinos IceCube, un détecteur d’une gigatonne fonctionnant à la station du pôle Sud Amundsen-Scott. Il a été construit et est exploité grâce au financement de la National Science Foundation (NSF) et au soutien supplémentaire des quatorze pays qui accueillent des membres institutionnels de la collaboration IceCube.
La vue des neutrinos (carte du ciel bleu) devant une impression d’artiste de la Voie lactée. Crédit : Collaboration IceCube/Laboratoire de communication scientifique pour le CRC 1491
Ce détecteur unique en son genre est constitué d’un kilomètre cube de glace profonde de l’Antarctique, équipé 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 fascinant, c’est que, contrairement à ce qui se passe pour la lumière, quelle que soit sa longueur d’onde, dans le cas des neutrinos, l’univers éclipse les sources proches de notre galaxie », explique Francis Halzen, professeur de physique à l’université du Wisconsin-Madison et chercheur principal d’IceCube.
« Comme c’est souvent le cas, les avancées scientifiques significatives sont rendues possibles par les progrès technologiques », déclare Denise Caldwell, directrice de la division physique de la NSF. « Les capacités offertes par le détecteur ultra-sensible IceCube, associées à de nouveaux outils d’analyse des données, nous ont permis d’avoir une vision entièrement nouvelle de notre galaxie, une vision qui n’avait été qu’ébauchée auparavant. Au fur et à mesure que ces capacités s’affinent, nous pouvons nous attendre à voir cette image émerger avec une résolution de plus en plus grande, révélant potentiellement des caractéristiques cachées de notre galaxie que l’humanité n’avait jamais vues auparavant.
Vue du laboratoire IceCube sous un ciel étoilé montrant la Voie lactée et des aurores vertes. Crédit : Yuya Makino, IceCube/NSF
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 des rayons gamma et des neutrinos. Compte tenu de l’observation des rayons gamma dans le plan galactique, on s’attendait à ce que la Voie lactée soit une source de neutrinos de haute énergie.
« Une contrepartie de neutrinos a maintenant été mesurée, confirmant ainsi ce que nous savons sur notre galaxie et 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 méridional, où l’essentiel de l’émission de neutrinos provenant du plan galactique est attendu près du centre de notre galaxie. Cependant, jusqu’à présent, le bruit de fond des muons et des neutrinos produits par les interactions des rayons cosmiques avec l’atmosphère terrestre posait des problèmes importants.
Francis Halzen, chercheur principal d’IceCube et professeur à UW-Madison. Crédit : EL PAIS/BERNARDO PÉREZ
Pour y remédier, les collaborateurs d’IceCube à l’université de Drexel ont mis au point des analyses qui sélectionnent les événements « en cascade », c’est-à-dire les interactions de neutrinos dans la glace qui se traduisent par des gerbes de lumière à peu près sphériques. Comme l’énergie déposée par les événements en cascade commence à l’intérieur du volume instrumenté, la contamination par les muons et les neutrinos atmosphériques est réduite. En fin de compte, la plus grande pureté des événements en 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 TU de Dortmund, qui améliorent l’identification des cascades produites par les neutrinos ainsi que leur direction et la reconstruction de l’énergie. L’observation de neutrinos provenant de la Voie lactée est un exemple de la valeur critique émergente que l’apprentissage automatique apporte à l’analyse des données et à la reconstruction des événements dans le cadre d’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 se traduit par une analyse trois fois plus sensible que la recherche précédente », explique Mirco Hünnefeld, membre d’IceCube, doctorant en physique à l’université de Dortmund et co-responsable de l’analyse.
L’ensemble de données utilisé dans l’étude comprenait 60 000 neutrinos couvrant 10 ans de données IceCube, soit 30 fois plus d’événements que la sélection utilisée dans une précédente analyse du plan galactique utilisant des événements en cascade. Ces neutrinos ont été comparés aux cartes de prédiction précédemment publiées des endroits du ciel où la galaxie était censée briller en neutrinos.
Les cartes comprenaient une carte réalisée à partir de l’extrapolation des observations de rayons gamma de la Voie lactée effectuées par le Fermi Large Area Telescope et deux cartes alternatives identifiées comme KRA-gamma par le groupe de théoriciens qui les ont produites.
« Cette détection tant attendue des interactions des rayons cosmiques dans la galaxie est également un merveilleux exemple de ce qui peut être réalisé lorsque les méthodes modernes de découverte de connaissances dans l’apprentissage automatique sont appliquées de manière cohérente », déclare Wolfgang Rhode, professeur de physique à l’université TU de Dortmund, membre d’IceCube et conseiller de Hünnefeld.
La puissance de l’apprentissage automatique offre un grand potentiel pour l’avenir, en mettant d’autres observations à portée de main.
« Les preuves solides que la Voie lactée est une source de neutrinos de haute énergie ont survécu aux tests rigoureux de la collaboration », déclare Ignacio Taboada, professeur de physique au Georgia Institute of Technology et porte-parole d’IceCube. « La prochaine étape consiste à identifier des sources spécifiques au sein de la galaxie.
Ces questions et d’autres seront abordées dans les analyses de suivi prévues par IceCube.
« Observer notre propre galaxie pour la première fois en utilisant des particules au lieu de la lumière est un grand pas en avant », déclare Naoko Kurahashi Neilson, professeur de physique à l’université Drexel, membre d’IceCube et conseiller de Sclafani. « Au fur et à mesure que l’astronomie des neutrinos évoluera, nous disposerons d’une nouvelle lentille pour observer l’univers ».
Référence : « Observation des neutrinos de haute énergie depuis le plan galactique » par la collaboration IceCube, 29 juin 2023, Science.
DOI : 10.1126/science.adc9818