Search for neutrino emission from blazar $γ$-ray flares accounting for possible neutrino time delays

Résumé technique : Recherche d'émissions de neutrinos à partir des éruptions de rayons $\gamma$ de blazars en tenant compte d'éventuels délais temporels des neutrinos

Énoncé du problème
Bien que l'observatoire de neutrinos IceCube ait établi l'existence de neutrinos astrophysiques de haute énergie ($E_\nu \gtrsim 1$ TeV), les sources spécifiques contribuant au flux diffus restent largement non identifiées, malgré des preuves liant certains événements à des blazars (ex. TXS 0506+056) et des galaxies actives (ex. NGC 1068). Les recherches précédentes de corrélations entre les blazars et les neutrinos d'IceCube ont généralement supposé une coïncidence temporelle entre l'arrivée des neutrinos et les éruptions électromagnétiques majeures (spécifiquement les rayons $\gamma$). Cependant, des considérations théoriques suggèrent que cette coïncidence peut ne pas être vérifiée. Si les neutrinos sont produits via des interactions $p\gamma$, les échelles de temps pour l'accélération des protons ($t'_{acc}$) et les pertes d'énergie des protons ($t'_{p\gamma}$) dans le référentiel du jet peuvent être de plusieurs ordres de grandeur plus longues que celles des électrons responsables des éruptions électromagnétiques. Par conséquent, les neutrinos de haute énergie ($\gtrsim 100$ TeV) peuvent arriver des mois ou des années après le pic de l'éruption de rayons $\gamma$ associée. Cet article traite de l'absence de recherches tenant compte de ces potentiels décalages temporels.

Méthodologie
Les auteurs ont réalisé une analyse de mise en correspondance entre les alertes de neutrinos de haute énergie du catalogue public IceCat-1 et deux échantillons distincts de sources de blazars, en recherchant des corrélations sur une large gamme de délais temporels dans le référentiel du jet ($t'_{delay}$).

1. Jeux de données :

   • Neutrinos : 348 alertes provenant du catalogue IceCat-1 ($E_\nu \gtrsim 100$ TeV), excluant celles présentant des signaux IceTop coïncidents.
   • Listes de sources :
     • H21+ : Un échantillon de 294 AGN provenant de la base de données MOJAVE (Homan et al. 2021) avec des facteurs Doppler ($D$), des décalages vers le rouge ($z$) et des courbes de lumière Fermi-LAT connus.
     • R24+ : Un échantillon de 295 blazars du catalogue CGRaBS (Rodrigues et al. 2024b) avec des facteurs Doppler dérivés de la modélisation de l'énergie spectrale (SED), également mis en correspondance avec les courbes de lumière Fermi-LAT.
   • Courbes de lumière : Courbes de lumière de flux de photons par intervalles mensuels provenant du Fermi-LAT Light Curve Repository (LCR).

2. Cadre statistique :

   • Association spatiale : Les neutrinos étaient associés aux blazars si la source se trouvait dans une région d'incertitude angulaire élargie (incorporant une incertitude systématique $\Delta = 0,78^\circ$).
   • Schéma de pondération : Pour chaque alerte, un poids $w_\nu(t'_{delay})$ était calculé en fonction de la significativité de l'alerte, d'un facteur de pénalité pour les incertitudes angulaires importantes, et d'un facteur temporel $G_{\nu a}$.
   • Facteur temporel : Le facteur temporel liait le temps d'arrivée du neutrino ($t_\nu$) au maximum global de la courbe de lumière $\gamma$ du blazar précédant l'arrivée ($t^{\gamma \max}_a$). Le facteur attribuait un poids maximal si la différence de temps correspondait au délai anticipé dans le référentiel de l'observateur ($t_{delay} = t'_{delay}(1+z)/D$) à l'intérieur d'une taille de cellule (bin), en appliquant une pénalité gaussienne pour les écarts.
   • Statistique de test (TS) : La TS globale était définie comme la somme des poids individuels sur toutes les alertes.
   • Test de significativité : La TS pour les données réelles a été comparée à une distribution de valeurs de TS générées à partir de 49 999 jeux de données fictifs où les ascensions droites et les temps d'arrivée des neutrinos ont été randomisés. Les valeurs de $p$ pré-test étaient calculées, puis corrigées pour les essais (balayage sur $t'_{delay}$).

Principales contributions

• Nouvelle stratégie de recherche : Ce travail représente la première tentative de recherche d'associations entre les neutrinos d'IceCube et les éruptions de rayons $\gamma$ de blazars en tenant spécifiquement compte d'un délai temporel universel dans le référentiel du jet ($t'_{delay}$) causé par une accélération lente des protons ou des pertes d'énergie.
• Doubles échantillons de sources : L'étude utilise deux catalogues de blazars indépendants avec différentes méthodes de détermination des facteurs Doppler (arguments de température de brillance vs modélisation SED) pour tester la robustesse des corrélations potentielles face aux incertitudes de la cinématique des jets.
• Balayage systématique des délais : L'analyse balaie $t'_{delay}$ d'un mois à environ $3,5 \times 10^4$ jours, couvrant la plage théorique où la production de neutrinos pourrait accuser un retard par rapport à l'émission électromagnétique.

Résultats

• Significativité statistique : La recherche n'a révélé aucune preuve statistiquement significative de corrélation entre les neutrinos IceCat-1 et les AGNs des listes de sources H21+ ou R24+.
  • Pour la liste H21+, la valeur de $p$ pré-test minimale était de 0,037 (à $t'_{delay} \approx 7,7 \times 10^3$ j).
  • Pour la liste R24+, la valeur de $p$ pré-test minimale était de 0,026 (à $t'_{delay} \approx 1,9 \times 10^3$ j).
  • Après correction des essais, ces minima correspondent respectivement à des valeurs de $p$ post-test de 0,14 (1,06$\sigma$) et 0,11 (1,21$\sigma$), ce qui est cohérent avec l'hypothèse nulle.
• Principaux candidats : Les associations les plus significatives ont été portées par l'alerte IC120523B (liée à l'éruption de 2010 de 3C 454.3) et IC150926A (liée à une éruption de 3C 279). Bien que ces événements spécifiques aient montré un alignement temporel avec les délais anticipés, ils ont été insuffisants pour établir une corrélation globale sur l'ensemble du jeu de données.
• Discrépance dans les facteurs Doppler : Les délais optimaux différaient considérablement entre les deux listes de sources (un facteur de 4), principalement en raison des divergences dans les estimations des facteurs Doppler pour 3C 454.3 et 3C 279 entre les méthodologies H21 et R24.

Signification et affirmations
Les auteurs concluent modestement que leurs résultats ne soutiennent pas une corrélation significative entre les neutrinos IceCat-1 et les populations spécifiques de blazars étudiées, même en tenant compte des délais temporels. Ils suggèrent plusieurs raisons, non mutuellement exclusives, pour ces résultats nuls :

1. Inefficacité : Les blazars pourraient être des sources inefficaces de neutrinos de $\sim 100$ TeV, ne contribuant qu'à une petite fraction ($\sim 0,5\%$) du flux d'IceCube.
2. Échelle d'énergie : Si les blazars sont des sources de neutrinos efficaces, le pic de leur émission pourrait se situer à des énergies beaucoup plus élevées ($\gtrsim 10$ PeV), au-delà de la sensibilité primaire de l'échantillon actuel d'alertes IceCube.
3. Hypothèses de modèle : L'hypothèse d'un délai temporel universel dans le référentiel du jet ($t'_{delay}$) peut être invalide en raison de variations source à source dans les mécanismes d'accélération et les champs magnétiques.
4. Découplage : L'accélération des protons et la dissipation d'énergie peuvent être spatialement ou temporellement découplées des processus électroniques, ce qui signifie que la production de neutrinos n'est pas causalement liée aux éruptions de rayons $\gamma$ observées.

L'article pose que les améliorations futures de la sensibilité nécessiteront probablement des jeux de données plus larges (ex. les futurs catalogues IceCat-2 et CAZ) ainsi que l'inclusion de courbes de lumière radio, qui sont connues pour accuser un retard par rapport aux éruptions de rayons $\gamma$ et pourraient mieux corréler avec les échelles de temps de production de neutrinos.