⚛️ high-energy experiments

Measurement of the Hubble constant with high-energy neutrinos

Cet article présente la première réalisation observationnelle d'une nouvelle méthode d'échelle de distance basée sur les neutrinos, utilisant des neutrinos astrophysiques de haute énergie provenant de 12 galaxies de Seyfert pour mesurer la constante de Hubble, donnant un résultat de $H_0 = 49^{+40}_{-30}\,\mathrm{km\,s^{-1}\,Mpc^{-1}}$ qui est cohérent avec les déterminations existantes tout en démontrant une approche novatrice exempte de systématiques de propagation électromagnétique.

Auteurs originaux : Gonzalo Herrera, Nicholas Kamp, Carlos A. Argüelles

Publié 2026-08-04

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : Gonzalo Herrera, Nicholas Kamp, Carlos A. Argüelles

Article original sous licence CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

Imaginez l'Univers comme un gigantesque ballon en expansion. Depuis des décennies, les scientifiques tentent de mesurer précisément la vitesse à laquelle ce ballon se gonfle. Cette vitesse est appelée la constante de Hubble ( $H_0$ ), et la connaître est crucial car elle nous indique l'âge de l'Univers et la façon dont il prendra fin. Mais voici la partie délicate : pour mesurer la vitesse d'expansion, il faut d'abord connaître la distance exacte des objets lointains. Mesurer les distances cosmiques revient à essayer de deviner à quelle distance se trouve un ami dans une pièce sombre simplement en écoutant la force de sa voix. Habituellement, nous utilisons la lumière (les photons) comme voix. Mais la lumière est un messager capricieux ; elle est bloquée par la poussière, absorbée par le gaz et dispersée par les nuages, ce qui rend difficile de savoir quel était le volume réel de la voix au départ. Cela a conduit à un désaccord massif dans le monde de la physique : un groupe de scientifiques, utilisant la lumière la plus ancienne de l'Univers, affirme que le ballon s'étend à une certaine vitesse, tandis qu'un autre groupe, utilisant des étoiles en explosion, affirme qu'il est plus rapide. C'est ce que l'on appelle la « tension de Hubble », et c'est l'un des plus grands mystères de la physique moderne.

Maintenant, imaginez un messager qui ne se soucie ni de la poussière, ni du gaz, ni de l'obscurité. Entrez en scène le neutrino : une particule minuscule et fantomatique qui peut traverser des planètes entières sans heurter quoi que ce soit. Parce qu'ils voyagent sans atténuation, les neutrinos sont parfaits pour mesurer les distances cosmiques sans le « bruit statique » qui perturbe la lumière. Dans cette nouvelle étude, une équipe de chercheurs a décidé de tenter une expérience audacieuse : utiliser les neutrinos de haute énergie provenant de galaxies actives comme une nouvelle règle pour mesurer l'expansion de l'Univers. Ils ne se sont pas contentés d'une simulation ; ils ont examiné des données réelles de l'Observatoire de neutrinos IceCube, qui est enfoui dans la glace de l'Antarctique, attendant que ces particules fantômes passent à travers lui.

L'équipe s'est concentrée sur 12 galaxies spécifiques appelées galaxies Seyfert. Ce sont des moteurs cosmiques dotés de trous noirs supermassifs en leur centre, entourés d'une « couronne » de plasma chaude et brillante. Les chercheurs ont utilisé une astuce ingénieuse basée sur une relation entre deux types d'énergie que ces galaxies émettent : les rayons X et les neutrinos. Considérez la couronne comme une cuisine. Les rayons X sont la chaleur provenant de la cuisinière, et les neutrinos sont l'odeur de la nourriture qui cuit. Les scientifiques ont émis l'hypothologie que si vous savez à quel point la cuisinière est chaude (la luminosité des rayons X), vous pouvez prédire l'intensité de l'odeur (la luminosité des neutrinos). Si l'odeur est plus faible ou plus forte que prévu pour une chaleur donnée, cela vous indique à quelle distance se trouve la cuisine.

En utilisant les données de la collection de 14 ans d'IceCube, l'équipe a découvert que pour ces 12 galaxies, la relation entre la chaleur des rayons X et l'odeur des neutrinos n'est pas une correspondance simple de type 1 pour 1. Au lieu de cela, ils ont constaté qu'à mesure que les galaxies deviennent plus brillantes en rayons X, le signal des neutrinos ne croît pas aussi vite que certaines théories le prédisaient. Plus précisément, ils ont mesuré une valeur de pente de $\beta = 0,67^{+0,16}_{-0,25}$ . Ce résultat suggère que la « cuisine » n'est pas parfaitement efficace ; la production de neutrinos devient moins efficace à mesure que la galaxie devient plus brillante, écartant ainsi une limite « calorimétrique » spécifique où l'efficacité serait parfaite (une valeur de $\beta = 1$ ) avec une certitude de 2 écarts-types.

Avec cette nouvelle « règle de neutrino » calibrée, ils ont calculé la constante de Hubble. Leur résultat est $H_0 = 49^{+40}_{-30}$ km s $^{-1}$ Mpc $^{-1}$ . Bien que ce chiffre présente une marge d'erreur importante (ce qui signifie que la valeur réelle pourrait se situer n'importe où entre 19 et 89), il s'agit d'une première étape révolutionnaire. Cela montre que les neutrinos peuvent effectivement être utilisés comme un nouvel outil pour la cosmologie, exempt de la poussière et du gaz qui troublent les mesures basées sur la lumière. Le résultat se situe confortablement entre les deux valeurs conflictuelles des études précédentes, suggérant que les neutrinos pourraient éventuellement aider à résoudre la tension de Hubble, mais pour l'instant, la mesure est davantage une preuve de concept qu'une réponse finale. Les auteurs soulignent que, bien que l'incertitude soit grande, la méthode est solide et offre une nouvelle façon de regarder l'Univers en expansion, exempte de biais systématiques.

Résumé technique : Mesure de la constante de Hubble avec les neutrinos de haute énergie

Énoncé du problème
Déterminer l'échelle de l'Univers et résoudre la « tension de Hubble » — l'écart de $\sim 5\sigma$ entre les déterminations de la constante de Hubble ( $H_0$ ) de l'Univers primordial (Planck CMB) et de l'Univers tardif (Céphéides–supernovae) — est un défi central de la cosmologie moderne. Presque toutes les sondes de distance existantes reposent sur les photons, qui sont sujets à des biais systématiques de propagation incluant l'extinction par la poussière, l'absorption intergalactique, la diffusion et une modélisation complexe du transfert radiatif. Ces effets introduisent des incertitudes difficiles à distinguer des propriétés intrinsèques des sources. Une mesure de distance utilisant un messager traversant l'Univers sans atténuation permettrait de contourner entièrement ces biais systématiques électromagnétiques.

Méthodologie
Ce travail introduit un nouvel échelon de l'échelle des distances cosmiques utilisant les neutrinos astrophysiques de haute énergie provenant de sources ponctuelles comme « chandelles standardisables ». La méthode repose sur la corrélation physique entre la luminosité des neutrinos ( $L_\nu$ ) et la luminosité des rayons X ( $L_X$ ) dans les couronnes des galaxies de Seyfert, décrite par la relation de loi de puissance :
$L_\nu = \kappa L_X^\beta$
où $\kappa$ est une constante de normalisation et $\beta$ est une pente codant la physique de la couronne.

L'analyse utilise un échantillon de 12 galaxies de Seyfert sélectionnées en rayons X, identifiées dans la publication de sources ponctuelles de 14 ans d'IceCube. La méthodologie procède comme suit :

Ancrage : L'échelle est ancrée par une distance sans décalage vers le rouge de NGC 1068, dérivée d'une combinaison de variables Céphéides et de la pointe de la branche des géantes rouges (TRGB) ( $10,93 \pm 0,74$ Mpc). Cela brise la dégénérescence entre la normalisation $\kappa$ et $H_0$ .
Extraction des données : Les comptes de signaux de neutrinos ( $\hat{n}_s$ ) et leurs incertitudes sont extraits pour chaque source en utilisant le cadre de vraisemblance non groupée (unbinned) SkyLLH appliqué aux 14 années de données IceCube. Les flux de rayons X ( $F_X$ ) sont tirés du BASS (BAT AGN Spectroscopic Survey), corrigés pour l'absorption.
Construction de la vraisemblance : Les auteurs construisent une vraisemblance gaussienne dans l'espace des luminosités. Le signal de neutrinos prédit dépend de la constante de Hubble à travers la distance de luminosité $d_L(z, H_0)$ . Spécifiquement, le signal attendu évolue selon $d_L^{2(\beta-1)}$ . Si $\beta = 1$ (la limite calorimétrique), la dépendance à la distance s'annule, rendant la méthode aveugle à $H_0$ . Par conséquent, une pente différente de l'unité est requise pour la mesure.
Inférence statistique : Une analyse par Monte Carlo par chaînes de Markov (MCMC) est effectuillée sur l'espace des paramètres $\{H_0, \beta, d_{1068}\}$ . La normalisation $\kappa$ est profilée analytiquement à chaque évaluation de la vraisemblance. L'analyse prend en compte les vitesses particulières et les corrections de décalage vers le rouge dans le référentiel CMB, particulièrement pour les sources à faible décalage vers le rouge.

Résultats clés
En utilisant l'échantillon de 12 sources, les auteurs rapportent la première mesure de la constante de Hubble utilisant les neutrinos astrophysiques de haute énergie :
$H_0 = 49^{+40}_{-30} \text{ km s}^{-1} \text{ Mpc}^{-1} \quad (68\% \text{ intervalle de crédibilité})$
L'analyse fournit simultanément la première mesure au niveau de la population de la pente de luminosité neutrino-rayon X :
$\beta = 0,67^{+0,16}_{-0,25} \quad (68\% \text{ intervalle de crédibilité})$

Principales conclusions et implications physiques

Pente sub-calorimétrique : Les données préfèrent une pente sous-linéaire ( $\beta < 1$ ), excluant la limite calorimétrique ( $\beta = 1$ ) à environ $2\sigma$ . Cela suggère que dans ces couronnes de Seyfert, la production de neutrinos devient moins efficace par unité de luminosité de rayons X à mesure que la source s'intensifie. Les auteurs suggèrent que cela peut être dû au refroidissement synchrotron des pions/muons secondaires ou aux pertes par production de paires de Bethe–Heitler dans des couronnes denses et magnétisées.
Cohérence avec les sondes existantes : La valeur mesurée de $H_0$ est cohérente avec la valeur Planck CMB ( $67,4 \pm 0,5$ ) et la valeur SH0ES Céphéides–supernovae ( $73,0 \pm 1,0$ ) à l'intérieur de $1\sigma$ , bien que l'incertitude élevée empêche cette mesure de résoudre actuellement la tension de Hubble.
Liberté vis-à-vis des biais systématiques : La mesure est exempte de biais systématiques de propagation électromagnétique (extinction, diffusion). Les principales incertitudes proviennent des statistiques de comptage par source des données de neutrinos et de la dispersion intrinsèque dans la relation $L_\nu$ – $L_X$ (absorbée dans l'incertitude du flux de rayons X).

Signification et revendications
L'article affirme démontrer la viabilité des neutrinos de haute énergie en tant que nouvelle sonde cosmographique. Sa principale signification réside dans l'établissement d'un nouvel échelon de l'échelle des distances cosmiques où les photons ne sont requis qu'à l'ancrage local (NGC 1068) et jamais le long du chemin de propagation vers l'observateur. Bien que la précision actuelle soit limitée par la petite taille de l'échantillon et l'aire effective d'IceCube, les auteurs projettent que le futur observatoire IceCube-Gen2, avec une augmentation d'environ $\times 8$ de l'aire effective, pourrait réduire l'incertitude sur $H_0$ à $\sim 16\text{--}20 \text{ km s}^{-1} \text{ Mpc}^{-1}$ avec environ 50 sources résolues. Ce travail établit que les neutrinos peuvent fournir des contraintes de distance indépendantes, immunisées contre les biais de poussière et d'absorption qui limitent toutes les autres sondes de distance actuelles.

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