The road to $H_0$, $\Omega_m$, and $w$ with a global neutrino-telescope network

L'univers est en expansion, mais les astronomes ne parviennent pas à s'accorder sur sa vitesse. Une méthode, observant la lueur résiduelle du Big Bang, suggère une vitesse spécifique. Une autre méthode, mesurant les distances de galaxies d'étoiles proches en explosion, suggère une vitesse plus rapide. Ce désaccord, connu sous le nom de tension de Hubble, est l'un des mystères les plus pressants de la cosmologie moderne. Pour le résoudre, les scientifiques ont besoin d'une toute nouvelle façon de mesurer les distances cosmiques, une méthode qui repose sur des hypothèses différentes et évite les erreurs potentielles des méthodes existantes. Pendant des décennies, les neutrinos de haute énergie — ces particules fantomatiques qui traversent l'univers presque sans être touchées par la matière — ont été une possibilité séduisante pour un tel outil, mais ils étaient trop faibles et trop rares pour fournir une réponse claire.

Une nouvelle étude propose un moyen de transformer ces particules insaisissables en une règle cosmique précise. En combinant les données d'un réseau mondial de détecteurs de neutrinos avec les observations de rayons X provenant de galaxies actives, les chercheurs ont tracé une voie pour mesurer le taux d'expansion de l'univers avec une précision bien plus grande que jamais auparavant. Les travaux suggèrent que d'ici 2030, un effort coordonné entre des télescopes dans l'Arctique, la Méditerranée et l'Antarctique pourrait fixer le taux d'expansion à quelques pourcents près. Plus qu'un simple chiffre, cette approche offre une perspective nouvelle sur les forces invisibles qui façonnent le cosmos, révélant potentiellement de nouveaux détails sur la densité de la matière et la nature de l'énergie noire.

La clé de cette nouvelle méthode réside dans un lien surprenant entre deux types de lumière très différents. Les galaxies actives, spécifiquement un type appelé galaxies de Seyfert, sont alimentées par des trous noirs supermassifs en leur centre. À mesure que le gaz tourbillonne vers ces trous noirs, il s'échauffe et émet des rayons X. Simultanément, l'environnement violent accélère les particules pour créer des neutrinos de haute énergie. Des observations récentes ont révélé un motif cohérent : plus une galaxie est brillante en rayons X, plus elle produit de neutrinos. Cette relation agit comme une chandelle standard. Si les scientifiques savent quelle luminosité en rayons X une galaxie devrait émettre en fonction de sa production de neutrinos, ils peuvent comparer cette luminosité prédite à ce qui est réellement observé. Comme la lumière et les neutrinos voyagent à la même vitesse et ne sont pas atténués par la poussière intermédiaire sur ces vastes distances, toute différence de luminosité leur indique exactement à quelle distance se trouve la galaxie.

Jusqu'à présent, cette méthode était limitée par le nombre de galaxies que nous pouvons voir et par la précision de nos instruments. La présente étude réalise la première mesure réussie de cette technique et projette comment elle s'améliorera au cours des prochaines années. Les chercheurs ont commencé avec les données d'IceCube, un détecteur de neutrinos massif enfoui dans la glace de l'Antarctique. Ils ont combiné cela avec une nouvelle analyse des galaxies de l'hémisphère sud, qui étaient auparavant difficiles à observer car elles apparaissent sous l'horizon pour le détecteur antarctique. En ajoutant les données de deux autres détecteurs majeurs, KM3NeT dans la mer Méditerranée et Baikal-GVD dans le lac Baïkal, l'équipe a créé un réseau mondial capable de voir l'ensemble du ciel.

Les résultats de ce réseau mondial sont frappants. La mesure actuelle du taux d'expansion de l'univers, connue sous le nom de constante de Hubble, présente une marge d'erreur importante, variant largement. La nouvelle analyse, utilisant les données existantes, l'affine avec une valeur centrale de 66. En regardant vers l'avenir, en 2030, lorsque les nouveaux détecteurs seront pleinement opérationnels et que davantage de données auront été collectées, l'incertitude devrait diminuer de manière spectaculaire. Les prévisions suggèrent que la mesure se resserrera, avec une valeur centrale de 66. Cela représente une réduction de l'incertitude de près des deux tiers, plaçant la mesure basée sur les neutrinos dans un focus beaucoup plus net.

Parallèlement à l'expansion, l'étude clarifie également la relation entre les émissions de rayons X et de neutrinos. Les données indiquent une pente mathématique spécifique qui décrit la manière dont les deux types de lumière évoluent l'un par rapport à l'autre. Les données actuelles suggèrent que cette pente est d'environ 0,72, ce qui signifie que la production de neutrinos croît plus lentement que la production de rayons X. D'ici 2030, les chercheurs prévoient d'être capables de mesurer cette pente avec une telle précision qu'ils pourront exclure définitivement un modèle « calorimétrique » plus simple, où les deux croîtraient au même rythme. Cette confirmation de la pente spécifique est cruciale car elle valide le modèle physique utilisé pour transformer les comptages de neutrinos en mesures de distance.

La puissance de ce réseau s'étend au-delà de la simple mesure de la vitesse à laquelle l'univers s'étend aujourd'hui. Les chercheurs proposent que si cette même relation se vérifie pour une population de galaxies très lointaines à haut décalage vers le rouge — spécifiquement une classe d'objets rouges et compacts récemment découverts par le télescope spatial James Webb — ces neutrinos pourraient être utilisés pour sonder l'histoire de l'expansion de l'univers. En étendant l'échelle des distances à ces sources lointaines, le réseau de neutrinos pourrait fournir des mesures indépendantes de la densité de la matière dans l'univers et des propriétés de l'énergie noire, la force mystérieuse qui conduit l'expansion accélérée. Bien que cette application future repose sur l'hypothèse que ces objets lointains suivent les mêmes règles que les galaxies proches, le potentiel de tester ces paramètres cosmologiques fondamentaux avec un nouveau type de messager cosmique constitue une étape importante.

L'obtention de ces résultats nécessitera une coopération étroite entre les communautés des neutrinos et des rayons X. La précision des mesures de distance dépend fortement de la connaissance exacte de la luminosité en rayons X de quelques galaxies « ancres » clés. Améliorer les modèles qui tiennent compte de la manière dont le gaz absorbe les rayons X dans ces galaxies, et dédier plus de temps de télescope à leur observation, sera tout aussi important que de construire de meilleurs détecteurs de neutrinos. La voie vers une compréhension plus claire de l'expansion de l'univers ne consiste pas seulement à capturer plus de particules ; il s'agit de raffiner l'ensemble de la chaîne d'observation, de l'absorption de la lumière dans les galaxies lointaines à la détection de particules fantomatiques sur Terre. À mesure que le réseau mondial entrera en service au cours de la prochaine décennie, il promet de transformer les neutrinos, de curiosités rares en un outil robuste et indépendant pour cartographier le cosmos.