Galactic Microquasar and Supernova Remnants Imprinting on Diffuse Neutrino and Gamma-Ray Sky

Au cœur même de notre Voie lactée, une pluie constante et invisible de particules tombe des étoiles. Ce sont les rayons cosmiques, des protons et des noyaux atomiques à grande vitesse qui voyagent à travers la galaxie à une vitesse proche de celle de la lumière. Depuis des décennies, les scientifiques savent que ces particules naissent d'événements cosmiques violents, tels que les explosions d'étoiles massives, mais le mélange exact des sources et la manière dont elles voyagent jusqu'à nous sont restés une énigme. Lorsque ces rayons cosmiques entrent en collision avec le gaz ténu qui remplit l'espace entre les étoiles, ils créent une pluie secondaire de particules, incluant des neutrinos fantomatiques et des rayons gamma de haute énergie. Détecter ces signaux secondaires revient à voir l'éclaboussure d'une pierre jetée dans un étang sombre ; cela nous indique que la pierre était là, même si nous ne pouvons pas voir le lanceur. Comprendre l'origine de cette lueur diffuse est crucial car elle forme le bruit de fond contre lequel les astronomes doivent chercher des sources spécifiques et puissantes. Si nous ne pouvons pas cartographier précisément ce fond, nous ne pourrons pas distinguer les faibles murmures des nouveaux accélérateurs cosmiques du rugissement de la galaxie elle-même.

Une équipe de chercheurs a désormais élaboré une nouvelle carte détaillée de ce fond cosmique, révélant que l'histoire du ciel de haute énergie de la galaxie est racontée par deux groupes distincts de moteurs cosmiques travaillant de concert. Dans une étude publiée en août 2026, Shiqi Yu et Bing Theodore Zhang ont développé un modèle informatique qui suit la manière dont les rayons cosmiques provenant de deux types différents de sources — les rémanents de supernova et les microquasars — se propagent à travers la galaxie et interagissent avec le gaz interstellaire. Les rémanents de supernova sont les enveloppes de débris en expansion laissées par l'explosion d'étoiles massives, tandis que les microquasars sont des systèmes où un trou noir ou une étoile à neutrons attire la matière d'une étoile compagne, projetant de puissants jets de particules. Les chercheurs ont découvert que ces deux populations ne contribuent pas de manière égale à toutes les énergies. Au lieu de cela, elles dominent différentes parties du spectre énergétique, créant une transition fluide qui explique les observations récentes de l'Observatoire de neutrinos IceCube et du télescope à rayons gamma LHAASO.

L'approche de l'équipe consistait à traiter ces deux populations de sources comme des acteurs indépendants, chacun ayant ses propres règles pour la vitesse à laquelle il accélère les particules et la distance que ces particules peuvent parcourir. Ils ont simulé le mouvement des rayons cosmiques sur des millions d'années, ancrant leurs calculs à des mesures précises des rayons cosmiques détectés près de la Terre par les instruments DAMPE et LHAASO. En injectant ces mesures locales dans un modèle tridimensionnel de la distribution du gaz galactique, ils ont pu prédire le nombre de neutrinos et de rayons gamma qui devraient être produits dans chaque direction. Les résultats ont montré une division claire du travail. À des énergies plus basses, en dessous d'environ 10 trillions d'électron-volts, la lueur diffuse est presque entièrement le fruit des rémanents de supernova. Ces anciennes explosions stellaires ont ensemencé la galaxie de rayons cosmiques depuis des éons, créant un fond constant et étendu. Cependant, à mesure que l'énergie augmente au-delà de ce seuil, la contribution des rémanents de supernova s'estompe, et un nouvel acteur prend la tête : les microquasars.

Ce changement est significatif car il résout un problème de longue date concernant la manière dont la galaxie accélère les particules aux énergies les plus élevées connues. Bien que les rémanents de supernova soient excellents pour accélérer les particules, ils peuvent peiner à les pousser au-delà d'une certaine limite. Les microquasars, avec leurs champs magnétiques intenses et leurs jets relativistes, semblent capables de servir de « PeVatrons », accélérant les particules à des énergies mille fois supérieures à celles produites par le Grand Collisionneur de Hadrons. Le modèle suggère que le durcissement du spectre des rayons cosmiques aux hautes énergies n'est pas un mystère, mais une conséquence naturelle de la prise de relais par les microquasars. Lorsque les chercheurs ont comparé leurs prédictions aux données réelles collectées par IceCube sur douze ans, la correspondance était remarquablement étroite. Leur modèle a reproduit avec succès le flux observé de neutrinos, fournissant une base physiquement motivée qui rend compte des contributions des deux types de sources sans avoir besoin d'inventer une nouvelle physique.

La même logique s'est appliquée aux rayons gamma, les cousins de la lumière visible à haute énergie. Les chercheurs ont constaté que leur modèle, qui incluait les effets des microquasars, s'alignait bien avec les observations de LHAASO, particulièrement aux énergies supérieures à 100 trillions d'électron-volts. À ces énergies extrêmes, le ciel de rayons gamma est dominé par les interactions hadroniques de protons provenant des microquasars, créant un signal pur, moins contaminé par d'autres processus. En dessous de ce seuil, les données montraient un léger excès que le modèle n'a pas pleinement capturé, probablement dû à des électrons diffusant la lumière ou à des sources ténues et non résolues qui sont trop faibles pour être vues individuellement. Cet écart résiduel souligne les domaines où les observations futures pourront affiner le tableau, mais la conclusion principale reste robuste : le ciel diffus de haute énergie est un composite de deux populations distinctes.

L'étude a également révélé comment la structure de la galaxie façonne ce que nous voyons. Parce que les neutrinos ne sont produits que lorsque les rayons cosmiques entrent en collision avec des poches de gaz denses, la carte résultante de l'émission de neutrinos n'est pas une lueur lisse et uniforme. Au contraire, elle trace la structure filamenteuse et irrégulière du milieu interstellaire, créant des « points chauds » localisés là où le gaz est le plus dense. Ces points ne marquent pas nécessairement l'emplacement d'un accélérateur actif ; ils indiquent plutôt l'endroit où la mer constante de rayons cosmiques, circulant de toutes les directions, frappe le plus de matière. Cette distinction est vitale pour les astronomes à la recherche de nouvelles sources ponctuelles, car elle les aide à séparer le véritable signal d'un objet spécifique du fond complexe et texturé de la galaxie.

En découplant les contributions des rémanents de supernova et des microquasars, les chercheurs ont fourni un cadre flexible qui peut être testé et mis à jour à mesure que de nouvelles données arrivent. Leurs travaux suggèrent que le fond diffus n'est pas une entité unique et monolithique, mais une tapisserie stratifiée tissée à partir de différents fils cosmiques. Cette compréhension offre une base solide pour la prochaine génération d'observatoires multi-messagers, qui utiliseront les neutrinos et les rayons gamma pour sonder plus profondément la galaxie. Avec une image plus claire du fond, ces instruments seront mieux équipés pour identifier les accélérateurs les plus puissants de l'univers, transformant la lueur faible et diffuse de la Voie lactée en une carte précise de ses processus les plus violents et les plus énergétiques.