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Les couronnes de trous noirs supermassifs peuvent être les sources cachées de mystérieux neutrinos cosmiques vus sur Terre

Excès de neutrinos et rayons gamma manquants?

Image du télescope spatial Hubble de la NASA du Galaxy NGC 1068 avec son trou noir actif montré comme illustration dans l'encart zoomé. Un nouveau modèle suggère que la couronne autour de ces trous noirs supermassifs pourrait être la source de neutrinos cosmiques de haute énergie observés par l'Observatoire des neutrinos IceCube. Crédit: NASA / JPL-Caltech

L'origine des neutrinos cosmiques de haute énergie observés par l'Observatoire des neutrinos IceCube, dont le détecteur est enfoui profondément dans la glace antarctique, est une énigme qui a perplexe les physiciens et les astronomes. Un nouveau modèle pourrait aider à expliquer le flux inattendu de certains de ces neutrinos déduit des données récentes sur les neutrinos et les rayons gamma. Un article par des chercheurs de Penn State décrivant le modèle, qui pointe vers les trous noirs supermassifs trouvés au cœur des galaxies actives comme sources de ces mystérieux neutrinos, paraît le 30 juin 2020 dans la revue Lettres d'examen physique.


"Les neutrinos sont des particules subatomiques si minuscules que leur masse est presque nulle et ils interagissent rarement avec d'autres matières", a déclaré Kohta Murase, professeur adjoint de physique et d'astronomie et d'astrophysique à Penn State et membre du Center for Multimessenger Astrophysics de l'Institut for Gravitation and the Cosmos (IGC), qui a dirigé la recherche. "Les neutrinos cosmiques de haute énergie sont créés par des accélérateurs énergétiques de rayons cosmiques dans l'univers, qui peuvent être des objets astrophysiques extrêmes tels que des trous noirs et des étoiles à neutrons. Ils doivent être accompagnés de rayons gamma ou d'ondes électromagnétiques à des énergies inférieures, et même parfois gravitationnelles Donc, nous nous attendons à ce que les niveaux de ces divers «messagers cosmiques» que nous observons soient liés. Fait intéressant, les données IceCube ont indiqué une émission excessive de neutrinos avec des énergies inférieures à 100 téraélectrons volts (TeV), par rapport au niveau de correspondant rayons gamma de haute énergie vus par le télescope spatial à rayons gamma de Fermi. "

Les scientifiques combinent les informations de tous ces messagers cosmiques pour en savoir plus sur les événements dans l'univers et pour reconstruire son évolution dans le domaine en plein essor de «l'astrophysique multimessager». Pour les événements cosmiques extrêmes, comme les explosions stellaires massives et les jets de trous noirs supermassifs, qui créent des neutrinos, cette approche a aidé les astronomes à localiser les sources distantes et chaque messager supplémentaire fournit des indices supplémentaires sur les détails des phénomènes.

Pour les neutrinos cosmiques supérieurs à 100 TeV, des recherches antérieures du groupe Penn State ont montré qu'il est possible d'avoir une concordance avec les rayons gamma à haute énergie et les rayons cosmiques à ultra-haute énergie qui correspondent à une image multimessager. Cependant, il existe de plus en plus de preuves d'un excès de neutrinos en dessous de 100 TeV, ce qui ne peut pas être simplement expliqué. Très récemment, l'Observatoire des neutrinos IceCube a signalé un autre excès de neutrinos de haute énergie en direction de l'une des galaxies actives les plus brillantes, connue sous le nom de NGC 1068, dans le ciel nord.

"Nous savons que les sources de neutrinos à haute énergie doivent également créer des rayons gamma, donc la question est: où sont ces rayons gamma manquants?" dit Murase. "Les sources sont en quelque sorte cachées à notre vue dans les rayons gamma de haute énergie, et le budget énergétique des neutrinos libérés dans l'univers est étonnamment élevé. Les meilleurs candidats pour ce type de source ont des environnements denses, où les rayons gamma seraient bloqués par leur les interactions avec le rayonnement et la matière, mais les neutrinos peuvent facilement s'échapper. Notre nouveau modèle montre que les systèmes de trous noirs supermassifs sont des sites prometteurs et le modèle peut expliquer les neutrinos en dessous de 100 TeV avec des exigences énergétiques modestes. "

Le nouveau modèle suggère que la couronne – l'aura du plasma superhot qui entoure les étoiles et autres corps célestes – autour des trous noirs supermassifs trouvés au cœur des galaxies, pourrait être une telle source. Analogue à la couronne vue sur une image du Soleil lors d'une éclipse solaire, les astrophysiciens pensent que les trous noirs ont une couronne au-dessus du disque rotatif de matière, connu sous le nom de disque d'accrétion, qui se forme autour du trou noir par son influence gravitationnelle. Cette couronne est extrêmement chaude (avec une température d'environ un milliard de degrés kelvin), aimantée et turbulente. Dans cet environnement, les particules peuvent être accélérées, ce qui conduit à des collisions de particules qui créeraient des neutrinos et des rayons gamma, mais l'environnement est suffisamment dense pour empêcher la fuite de rayons gamma de haute énergie.

"Le modèle prédit également les équivalents électromagnétiques des sources de neutrinos dans des rayons gamma" mous "au lieu de rayons gamma de haute énergie", a déclaré Murase. "Les rayons gamma à haute énergie seraient bloqués, mais ce n'est pas la fin de l'histoire. Ils finiraient par être montés en cascade vers des énergies plus faibles et diffusés sous forme de rayons gamma" mous "dans la gamme des mégaélectrons volts, mais la plupart des rayons gamma existants les détecteurs, comme le télescope spatial à rayons gamma Fermi, ne sont pas réglés pour les détecter. "

Il existe des projets en cours de développement qui sont spécifiquement conçus pour explorer ces émissions de rayons gamma mous à partir de l'espace. En outre, les détecteurs de neutrinos à venir et de prochaine génération, KM3Net en mer Méditerranée et IceCube-Gen2 en Antarctique seront plus sensibles aux sources. Les cibles prometteuses comprennent le NGC 1068 dans le ciel nord, pour lequel l'émission de neutrinos en excès a été signalée, et plusieurs des galaxies actives les plus brillantes du ciel sud.

"Ces nouveaux détecteurs de rayons gamma et de neutrinos permettront de rechercher plus en profondeur les émissions multimessagers des coronae de trous noirs supermassifs", a déclaré Murase. "Cela permettra d'examiner de manière critique si ces sources sont responsables du flux important de neutrinos de niveau d'énergie moyenne observé par IceCube comme le prédit notre modèle."


De nouveaux indices dans la chasse aux sources des neutrinos cosmiques


Plus d'information:
Kohta Murase et al, Noyaux cachés de noyaux galactiques actifs comme origine des neutrinos de moyenne énergie: tests critiques avec la connexion MeV Gamma-Ray, Lettres d'examen physique (2020). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.125.011101

Fourni par
Université d'État de Pennsylvanie

Citation:
Les couronnes de trous noirs supermassifs peuvent être les sources cachées de mystérieux neutrinos cosmiques vus sur Terre (2020, 1er juillet)
récupéré le 2 juillet 2020
depuis https://phys.org/news/2020-07-coronae-supermassive-black-holes-hidden.html

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