Les locaux d’IceCube, au pôle Sud. / Felipe Pedreros, IceCube/NSF.

Les mystères de l’Univers s’éclaircissent parfois en des lieux inattendus. Ainsi que le révèlent, jeudi 12 juillet dans Science, deux études réunissant les efforts d’une quinzaine d’équipes d’astrophysiciens à travers le monde, l’énigme des phénomènes cosmiques les plus puissants du cosmos a trouvé un début de solution… au pôle Sud. Non pas en scrutant le ciel mais dans les profondeurs de la calotte glaciaire.

Mais avant de raconter la découverte, décrivons ses enjeux. Parmi les défis qu’ont à relever les astrophysiciens se trouve celui des rayons cosmiques, découverts en 1912 et qui n’ont de rayons que le nom. Il s’agit en réalité de particules électriquement chargées – protons, électrons, noyaux atomiques… Beaucoup prennent naissance dans le Soleil mais les plus énergétiques de ces rayons cosmiques, accélérés à une vitesse approchant celle de la lumière, proviennent d’autres galaxies que la nôtre. Leur source est inconnue car ces astroparticules ne sont pas « traçables » : en raison de leur charge électrique, leur course est déviée par les champs magnétiques qu’ils rencontrent et vouloir reconstituer leur trajectoire est aussi vain que d’essayer de savoir par où est passée une bille de flipper.

Afin d’identifier l’origine de ces rayons cosmiques de très haute énergie, les astrophysiciens misent donc sur un autre type de particules qui leur sont associées, les neutrinos. « Dans les régions où les rayons cosmiques sont accélérés, explique Kumiko Kotera, chercheuse à l’Institut d’astrophysique de Paris (IAP), il y a beaucoup de photons et de matière. Ils ne sortent pas indemnes de cette zone et vont interagir avec la matière et le rayonnement ambiants. Cela crée des neutrinos de haute énergie, qui sont des sous-produits de ces rayons cosmiques. »

Ligne droite

Pour les astrophysiciens, les neutrinos présentent un avantage incomparable : dénués de charge électrique, ils sont indifférents aux champs magnétiques et traversent le cosmos en ligne droite. « Photographier » la trajectoire de l’un d’eux permet donc de pointer vers sa source.

Retour au pôle Sud. C’est là que, entre 1 450 et 2 450 mètres sous la surface, est installé l’instrument IceCube, un kilomètre cube de glace au sein duquel ont été placés quelque 5 000 capteurs. Le plus grand chasseur de neutrinos du monde. Pourquoi un tel mastodonte ? Parce que les neutrinos sont des particules fantômes. Comme ils interagissent très peu avec la matière – des centaines de milliards d’entre eux traversent votre corps à chaque seconde sans que cela vous empêche de dormir –, il faut un énorme détecteur pour en prendre un au piège de temps en temps.

Nous sommes le 22 septembre 2017, quelque part dans les tréfonds gelés d’IceCube. A 22 heures 54 minutes et 30 secondes (heure de Paris), un neutrino de haute énergie interagit avec la glace et y dépose sa trace. Tout comme un expert en balistique peut déterminer l’endroit d’où une balle a été tirée en analysant le trou qu’elle a creusé dans un mur, le système de détection d’IceCube détermine avec une assez bonne précision la région du ciel d’où est issue la particule : un petit coin de la constellation d’Orion.

Quarante-trois secondes après la détection, une alerte est envoyée qui signale l’événement. La suite, Azadeh Keivani, chercheuse à l’université d’Etat de Pennsylvanie et cosignataire d’une des études parues dans Science, la raconte : l’alerte « a déclenché une séquence automatique d’observations, dans les domaines des ultraviolets et des rayons X, par les télescopes spatiaux Swift et NuSTAR de la NASA, ainsi que par treize observatoires tout autour du monde ».

Un trou noir gargantuesque

Grâce à cette collaboration internationale de grande envergure, un « suspect » est vite identifié dans la zone. Dans le jargon astronomique, il s’agit d’un « blazar », portant le matricule TXS 0506 + 056. Contraction de « blazing quasar » (quasar flamboyant en français), un blazar désigne une galaxie dont le cœur est occupé par un trou noir gargantuesque. La masse de la bête peut équivaloir à plusieurs milliards de fois celle du Soleil et autour d’elle gravite un disque de matière surchauffée qui, petit à petit, est avalée par le trou noir.

L’énergie mobilisée dans ces phénomènes est au-delà de l’imaginable. Deux jets de particules chargées s’échappent perpendiculairement au noyau de la galaxie à une vitesse proche de celle de la lumière, comme les deux cônes d’un gigantesque phare céleste. Si ce quasar nous semble flamboyant vu de la Terre, c’est parce que nous nous trouvons précisément dans l’axe d’un de ces cônes.

D’après les observations effectuées au cours des heures et des jours qui ont suivi l’alerte, il apparaît que TXS 0506 + 056 est bien en phase active. Toute la difficulté, pour les chercheurs, a consisté à déterminer si le blazar était le parent du neutrino observé ou si la concomitance des deux phénomènes n’était due qu’au hasard. Une analyse statistique complexe a donc été menée par Anna Franckowiak : « Nous avons calculé que la probabilité qu’il s’agisse d’une simple coïncidence était environ d’une chance sur mille », explique cette chercheuse au synchrotron allemand DESY.

Une chance sur mille, cela peut sembler insignifiant mais ce chiffre laisse un degré d’incertitude peu tolérable pour des physiciens. L’équipe d’IceCube s’est donc replongée dans ses archives et a déniché une douzaine d’autres neutrinos provenant de la direction de TXS 0506 + 056. La probabilité d’une pure coïncidence est tombée à une chance sur cinq mille. « Cela commence à devenir sérieux », commente Kumiko Kotera qui souligne cependant que ce chiffre ne répond toutefois pas encore aux standards très rigoureux de l’astrophysique.

L’astronomie « multimessagers »

La chercheuse ne boude toutefois pas son plaisir, consciente d’être vraisemblablement en face d’une découverte historique. Elle souligne que, au-delà de la première identification d’une source de rayons cosmiques, ces travaux constituent un pas de plus vers un nouvel âge de sa science, celui de l’astronomie « multimessager ». Pendant longtemps, les astronomes n’ont eu que la lumière visible des étoiles et des planètes pour travailler, puis leur palette s’est élargie à d’autres « couleurs », d’autres parties du spectre électromagnétique – ondes radio, infrarouge, UV, rayons X et gamma.

Et en une poignée d’années, de nouveaux messagers des astres sont entrés en scène : les ondes gravitationnelles, détectées pour la première fois en 2015 (et dont les découvreurs ont reçu le prix Nobel de physique 2017), et désormais les neutrinos de haute énergie. En combinant les messagers, les astrophysiciens auront à la fois « la couleur et la texture » du tableau qu’ils contemplent, pour reprendre l’image de Kumiko Kotera.

Directrice de la National Science Foundation américaine, qui finance en grande partie IceCube, France Cordova ne s’y est pas trompée, qui a réagi à l’annonce sur TXS 0506 + 056 en déclarant : « L’ère de l’astrophysique multimessager a commencé. Chaque messager (…) nous donne une compréhension plus complète de l’Univers ainsi que d’importants nouveaux enseignements sur les objets et les phénomènes les plus puissants du ciel. »