La destruction des étoiles par des trous noirs trahie par les neutrinos émis

Une large équipe internationale de chercheurs en physique des astroparticules vient de publier dans Nature Astronomy deux articles dont des versions se trouvent en accès libre sur arXiv et qui vont probablement intéresser Jean-Pierre LuminetJean-Pierre Luminet.

Certes, la découverte exposée n'est pas directement liée aux mystères de l'écume de l’espace-temps qu'il explore dans son dernier ouvrage mais elle concerne tout de même les travaux qu'il a menés avec Brandon Carter il y a presque 40 ans. Les deux astrophysiciensastrophysiciens relativistes, tout deux à l'Observatoire de Paris à cette époque, ont été les pionniers de ce que l'on appelle en anglais le phénomène de TidalTidal disruption event (ou TDE), ce qui peut se traduire par « évènement de rupture par effet de marée ».

Comme le montre leur publication dans le célèbre journal Nature en 1982, suivie d'une autre dans Astronomy & Astrophysics en 1983, un TDE se produit avec une étoile dont la trajectoire trop rapprochée d'un trou noir supermassiftrou noir supermassif conduit ses forces de maréeforces de marée à comprimer l'étoile jusqu'à produire ce qu'ils ont appelé une crêpe stellaire à cause de la forme de la déformation causée par ces forces. L'étoile pouvait finir par exploser en réponse et ses débris étaient donc avalés en partie par l'astreastre compact.

L'explosion étant similaire à celle d'une supernova génitrice d'une étoile à neutronsétoile à neutrons ou d'un trou noir stellairetrou noir stellaire, on pouvait s'attendre à ce qu'un copieux flux de neutrinosneutrinos soit émis. On pouvait aussi s'attendre à la production de neutrinos particulièrement énergétiques car les abords d'un trou noir de Kerrtrou noir de Kerr en rotation ont de bonnes raisons de se comporter comme un accélérateur de particules géant. Comme un trou noir supermassif est un monstre gorgé d'énergieénergie de massemasse et d'énergie de rotation, indépendamment de l'existence de TDE, on suppose depuis des décennies que ces trous noirs géants sont probablement à l'origine des rayons cosmiquesrayons cosmiques à ultra-haute énergie (UHECR) que l'on détecte sur Terre.

Rappelons que les neutrinos sont électriquement neutres, contrairement aux particules chargées tels les protonsprotons, les positronspositrons ou les noyaux d'héliumhélium qui sont chaotiquement déviés au point de se déplacer comme s'ils étaient ivres dans les champs magnétiqueschamps magnétiques galactiques et intergalactiques, les neutrinos sont aussi très pénétrants au point de pouvoir traverser la Terre sans généralement interagir avec les autres particules de matièrematière. Ils sont générés dans des processus à haute énergie en particulier et, en les observant, contrairement donc aux autres rayons cosmiques matériels, on peut déterminer avec assurance de quelle portion de la voûte céleste et donc de quel objet ils ont été émis.

Cette astronomie neutrino complète donc idéalement celles faites avec les ondes électromagnétiquesondes électromagnétiques et gravitationnelles pour faire de l'astronomie multimessager. Plusieurs instruments pour explorer le domaine de l'astronomie des neutrinos ont ainsi été construits, notamment l'IceCube Neutrino Observatory dans les glaces de l’Antarctique.

L'Antarctique et sa glace, un détecteur géant de neutrinos cosmiques

Comme l'expliquent donc les deux articles publiés dans Nature (le premier octobre 2019), les glaces de l'AntarctiqueAntarctique ont été témoins de l'événement IceCube-191001A, c'est-à-dire en l'occurrence du passage d'un neutrinos porteur d'une énergie évaluée à environ 100 TeV, soit presque 10 fois supérieure à celle des collisions de protons que l'on peut réaliser sur Terre avec le LHCLHC, le plus puissant accélérateur de particules jamais construit par la noosphère -- on pourrait convertir toute cette énergie d'une seule particule en environ 100.000 protons au repos puisque la masse d'un proton en unité d'énergie est de 1 GeVGeV, soit 0.001 TeV.

Dans le cadre du programme de recherche en astronomie multimessager, le Zwicky Transient Facility (ZTF), un télescopetélescope  robotiquerobotique  à l'observatoire PalomarPalomar utilisé par le célèbre Caltech en Californie du Sud, a rapidement trouvé une contrepartie dans le domaine des ondes électromagnétiques. Mieux, cette contrepartie -- une galaxiegalaxie située dans la constellationconstellation du Dauphin à environ 700 millions d'années-lumièreannées-lumière de la Voie lactéeVoie lactée et cataloguée sous la référence 2MASX J20570298 + 1412165 -- avait déjà attiré l'attention d'astrophysiciens le 9 avril 2019 puisque le ZTF y avait révélé l'occurrence d'un TDE clairement associé à la présence dans la galaxie d'un trou noir supermassif contenant probablement 30 millions de masses solaires (le trou noir de la Voie lactée n'en contient que 4 millions).

Nommé AT2019dsg, il avait été étudié dans plusieurs bandes du spectrespectre électromagnétique, des ondes radios aux rayons Xrayons X et, à la suite des observations de IceCube, l'équipe dirigée par le physicienphysicien Robert Stein du laboratoire DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron, synchrotron allemand à électronsélectrons) en est donc arrivée la conclusion exprimée par le chercheur en ces termes : « Il s'agit du premier neutrino lié à un TDE. Ces événements ne sont pas bien compris. La détection du neutrino indique l'existence d'un moteur central et puissant à proximité du disque d'accrétiondisque d'accrétion, crachant des particules rapides. Et l'analyse combinée des données des télescopes radio, optique et ultravioletultraviolet nous donne une preuve supplémentaire que le TDE agit comme un gigantesque accélérateur de particules ».

Plus de 30 TDE ont été observés au total ces dernières années et, selon le célèbre Francis Halzen, professeur à l'Université du Wisconsin-Madison et chercheur principal d'IceCube, mais qui n'a pas été directement impliqué dans cette découverte récente : « Nous ne voyons peut-être que la pointe émergée d'un iceberg. À l'avenir, nous nous attendons à trouver de nombreuses autres associations entre les neutrinos de haute énergie et leurs sources. Une nouvelle génération de télescopes est en cours de constructionconstruction qui offrira une plus grande sensibilité aux TDE et à d'autres sources de neutrinos ».

Trous noirs : Dune veut étudier leur naissance avec les neutrinos

Que se passe-t-il lorsqu'une étoile s'effondre et donne un trou noir ? Quelle fraction des supernovaesupernovae SNSN II donne naissance à des trous noirs ? Pour tenter de répondre à ces questions, un détecteur de neutrinos géant sera construit dans quelques années dans le cadre de la Deep Underground Neutrino Experiment (Dune).

Les trous noirs existent-ils réellement ? Du point de vue de l'astrophysiqueastrophysique, cela semble aujourd'hui très difficile d'en douter. Mais du point de vue de la physique théorique, répondre à cette question est un peu plus subtil car on s'interroge toujours sur l'occurrence d'un véritable horizon des événementshorizon des événements pour un astre compact relativiste totalement, gravitationnellement effondré, ce qui est la définition même d'un trou noir. On sait que Stephen HawkingStephen Hawking à proposer de redéfinir partiellement cette notion d'un horizon des événements, mais il se pose aussi la question de savoir si l'on peut se fier aux équationséquations d'EinsteinEinstein pour décrire un trou noir. Des variantes existent et il devrait être possible de les tester à ce sujet avec eLisa et le projet Event Horizon Telescope.

Une autre stratégie peut être mise en jeu pour tenter de déterminer si des trous noirs stellairestrous noirs stellaires se forment bien à l'occasion de la fin de vie d'une étoile qui explose en supernova. Elle consiste à mesurer le flux de neutrinos produit par cet événement plus finement que ce que l'on a été capable d'accomplir jusqu'à présent. Une telle possibilité est ouverte par les progrès de l'astrophysique des neutrinos, aussi bien du point de vue théorique qu'observationnel. L'idée de base est très simple. Le flux de neutrinos doit subitement cesser lorsque le cœur de l'étoile en explosion devient un trou noir.

À gauche : le 24 février 1987, la supernova SN1987a brille de mille feux dans le Grand Nuage de Magellan. À droite : 24 heures plus tôt, un cliché de la même région pris dans le cadre d’un autre programme de recherche ne laisse rien présager du spectacle qui se prépare. © Anglo-Australian Observatory

Déjà au siècle dernier avec la célèbre explosion de la supernova SN 1987a, il avait été possible de tester nos modèles de la structure stellaire ainsi que des supernovae de type SN II en mesurant une brusque augmentation du flux de neutrinos dans les détecteurs japonais, états-uniens et russe Kamiokande II, Irvine-Michigan-Brookhaven (IMB), Baksan Neutrino Observatory (BNO) avec respectivement 11, 8 et 5 neutrinos le temps d'un éclairéclair qui dura moins de 13 secondes. On estime que 99 % de l'énergie libérée par l'explosion l'a été sous la forme de 10⁵⁸ neutrinos environ, environ 1 % l'est sous forme de l'énergie cinétiqueénergie cinétique de l'enveloppe de gazgaz éjectée et 0,1 % sous forme de lumière.

Dune, un détecteur pour les neutrinos électroniques des supernovae

Aujourd'hui les physiciens travaillant dans le domaine des astroparticules envisagent donc de faire mieux et d'observer la naissance d'un trou noir à partir du flux de neutrinos accompagnant l'événement. Statistiquement, il y a de grandes chances qu'une supernova se produise dans la Voie lactée au cours du XXI^e siècle. Un tel événement devrait aussi générer des ondes gravitationnellesondes gravitationnelles que des détecteurs comme ceux de Ligo, VirgoVirgo et les générations qui lui succéderont, devraient être capables de détecter. On pense que cette détection pourrait être bavarde sur ce qui se passe quand une supernova explose et qu'elle forme un trou noir. Elle donnerait des compléments d'information sur celles obtenues en mesurant les caractéristiques du flux de neutrinos.

Rappelons tout de même que toutes les supernovae ne s'accompagnent pas de la naissance d'un trou noir. Pour autant qu'on le sache, ce n'est jamais le cas avec les SN Ia et pour les SN II, qui nécessitent une masse de 8 masses solaires au moins, il n'y a que les étoiles qui dépassent les 30 masses solaires qui pourraient finir parfois en trou noir. Dans la plupart des cas, les étoiles massives finissent donc sous forme d'étoile à neutrons. En s'effondrant gravitationnellement, elles forcent les électrons des atomesatomes à se combiner avec les protons dans une réaction qui produit des neutrons et des neutrinos électroniquesneutrinos électroniques.

Ces neutrinos électroniques, le détecteur de l'expérience Deep Underground Neutrino Experiment (Dune) devrait pouvoir en détecter 10.000 si une supernova SN II se produisait dans la Voie lactée. Les précédents détecteurs mettaient surtout en évidence des antineutrinos accompagnant l'explosion, mais avec Dune, ce sont vraiment les neutrinos issus de la neutronisation de matière que l'on pourra observer. Le détecteur devrait entrer en service à l'horizon 2021 et il sera enterré dans la fameuse mine de Homestake dans l'État du Dakota du Sud. On peut donc dire que Dune fera partie de Dusel. À terme, le détecteur contiendra 40.000 tonnes d'argonargon liquideliquide. Un prototype en contenant 400 tonnes devrait fonctionner au CernCern vers 2018.