Search for gravitational waves associated with high-energy neutrinos detected by IceCube during the third observing run of LIGO-Virgo

L'histoire du détective cosmique : À la poursuite des fantômes et des ondulations

Imaginez l'univers comme une immense salle de concert chaotique. Pendant longtemps, nous n'avons pu écouter la musique qu'avec nos oreilles — en détectant la lumière, les ondes radio et les rayons X. Mais en 2015, nous avons enfin construit un nouvel instrument capable de « ressentir » les vibrations de la salle elle-même. Ce sont les ondes gravitationnelles : des ondulations dans le tissu de l'espace et du temps causées par des objets massifs, comme des trous noirs ou des étoiles à neutrons, qui s'entrechoquent. C'est comme ressentir le sol trembler lorsqu'un tambour géant est frappé, même si l'on ne peut pas voir le batteur.

Au même moment, il existe d'autres messagers cosmiques appelés neutrinos. Ce sont de minuscules particules fantomatiques qui traversent l'univers presque sans heurter quoi que ce soit. Elles sont produites lors des explosions les plus violentes du cosmos, comme les derniers soubresauts d'étoiles massives. Parce qu'elles sont si difficiles à capturer, en trouver une revient à repérer un grain de sable spécifique dans une tempête de sable.

Les scientifiques se posent une grande question : ces deux phénomènes se produisent-ils ensemble ? Lorsqu'une étoile massive explose ou que deux étoiles mortes fusionnent, envoient-elles à la fois un « coup » gravitationnel et un « fantôme » de neutrino à haute énergie au même moment ? Si nous pouvions capturer les deux pour un même événement, ce serait comme entendre le battement de tambour et voir le batteur allumer une lumière simultanément. Cela confirmerait exactement quel genre de violence cosmique a créé le signal. Cet article traite d'une équipe d'astronomes tentant de capturer ces deux messagers en plein acte, en utilisant les détecteurs les plus sensibles au monde.

La grande chasse cosmique

Dans cette étude, une équipe de chercheurs a agi comme des détectives cosmiques, recherchant un type spécifique de scène de crime : un neutrino à haute énergie détecté par l'Observatoire IceCube en Antarctique. IceCube est un détecteur massif enfoui profondément dans la glace, attendant que ces neutrinos fantômes entrent en collision avec un atome pour créer un flash de lumière bleue. Lorsqu'IceCube repère un neutrino prometteur, il envoie une alerte, disant : « Hé, quelque chose de gros s'est passé par là-bas ! »

Le travail de l'équipe consistait à examiner les données des détecteurs d'ondes gravitationnelles LIGO et Virgo au moment exact et dans la direction exacte de cette alerte de neutrino. Ils voulaient voir si les détecteurs avaient ressenti une ondulation dans l'espace-temps au même instant. Pensez-y de cette façon : si IceCube entend un cri provenant d'une maison spécifique, les détecteurs d'ondes gravitationnelles sont les voisins qui vérifient s'ils ont senti le sol trembler à ce moment précis.

Les chercheurs ne cherchaient pas seulement un type spécifique de collision, comme la fusion de deux trous noirs. Ils ont utilisé une recherche « générique », ce qui revient à écouter n'importe quel bruit étrange — qu'il s'agisse d'un choc, d'un bang ou d'un bourdonnement bizarre. Ils ont examiné les données de 23 alertes de neutrinos envoyées par IceCube lors de la troisième phase majeure d'observation des détecteurs (connue sous le nom de O3). Ils ont vérifié les données dans une fenêtre de temps allant de 500 secondes avant l'arrivée du neutrino à 500 secondes après, au cas où les signaux n'arriveraient pas exactement à la même fraction de seconde.

Le verdict : Silence dans la salle de concert cosmique

Après avoir effectué leur analyse sophistiquée, l'équipe n'a trouvé... rien. Ou plutôt, ils n'ont trouvé aucune preuve d'un signal d'onde gravitationnelle plus fort que le bruit de fond aléatoire. C'est comme si l'on avait entendu un cri dans une maison, mais qu'en vérifiant le sol, celui-ci était parfaitement immobile.

L'article exclut explicitement l'idée que ces événements de neutrinos spécifiques aient été causés par les types de fusions ou d'explosions violentes qui produisent des ondes gravitationnelles fortes dans les distances qu'ils pouvaient détecter. Ils n'ont pas trouvé de « preuve irréfutable ». Cependant, cela ne signifie pas que les neutrinos n'étaient pas réels ; cela signifie simplement que, s'ils étaient causés par une explosion cosmique, cette explosion n'a pas envoyé d'onde gravitationnelle assez forte pour être entendue par nos détecteurs actuels, ou qu'elle s'est produite trop loin.

Pour être sûrs de leurs résultats, l'équipe a réalisé des simulations. Ils ont fait semblant d'injecter de faux signaux d'ondes gravitationnelles dans les données pour voir jusqu'où une source pouvait être éloignée tout en restant audible. Ils ont découvert que pour une fusion d'étoiles à neutrons binaires (deux étoiles mortes s'entrechoquant), ils l'auraient vue si elle s'était produite à environ 30 à 60 millions d'années-lumière (30–60 Mpc). Pour un trou noir avalant une étoile à neutrons, ils auraient pu la voir jusqu'à environ 70 à 140 millions d'années-lumière (70–140 Mpc). Pour d'autres types de signaux plus exotiques, leur portée variait de dizaines à quelques centaines de millions d'années-lumière.

Comme ils n'ont trouvé aucun signal dans ces distances, ils ont établi des « limites d'exclusion ». C'est une façon élégante de dire : « Nous sommes sûrs à 90 % que si une source de ce type existait dans cette distance, nous l'aurions vue. Puisque nous ne l'avons pas vue, elle n'était probablement pas là. »

L'équipe a également noté que leur recherche était « non modélisée », ce qui signifie qu'ils cherchaient n'importe quelle forme d'onde, et non pas seulement le motif spécifique de deux étoiles spiralant ensemble. Cela rend la recherche moins sensible qu'une recherche ciblée pour des événements connus, mais cela leur permet de capturer des signaux étranges et inattendus. Le fait qu'ils n'aient rien trouvé suggère soit que les neutrinos provenaient de sources qui ne produisent pas d'ondes gravitationnelles, soit que les sources étaient simplement trop loin pour que notre technologie actuelle puisse ressentir les ondulations.

Et maintenant ?

L'article conclut que bien que cette chasse spécifique soit restée infructueuse, la méthode fonctionne et les détecteurs s'améliorent. L'équipe souligne que, lors des futures phases d'observation, ils seront capables d'examiner différents types d'événements de neutrinos (appelés alertes de type « cascade ») qui sont encore plus susceptibles de provenir de l'espace profond. Ils mentionnent également qu'un nouveau catalogue d'alertes avec une meilleure détermination de la direction sera bientôt disponible, ce qui les aidera à orienter leur recherche plus précisément.

Pour l'instant, la salle de concert cosmique reste silencieuse concernant ces neutrinos spécifiques. Mais la recherche continue, et à chaque nouvelle phase des détecteurs, l'équipe écoute un peu plus attentivement, espérant un jour capturer ce cri et ce tremblement simultanés parfaits provenant des confins de l'univers.