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Correlation of galactic very-high-energy gamma-ray sources detected by LHAASO with high-energy neutrinos

Cette étude ne trouve aucune preuve convaincante d'une corrélation spatiale entre les sources de rayons gamma de très haute énergie détectées par LHAASO et les alertes de neutrinos de haute énergie d'IceCube, suggérant que les sources actuelles de LHAO sont peu susceptibles d'être les contreparties primaires de ces neutrinos et soulignant la nécessité d'instruments futurs plus sensibles comme IceCube-Gen2.

Auteurs originaux : Long-Yu Zhang, Kai Wang

Publié 2026-10-15

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : Long-Yu Zhang, Kai Wang

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

Au plus profond de la glace gelée du continent antarctique repose un détecteur massif conçu pour capturer les messagers les plus insaisissables de l'univers : les neutrinos de haute énergie. Ce sont des particules fantomatiques, presque sans masse et électriquement neutres, capables de traverser le cosmos sans être arrêtées par les étoiles, le gaz ou la poussière. Depuis des décennies, les scientifiques les traquent pour découvrir leurs origines, espérant qu'ils révéleront l'emplacement des moteurs les plus violents et les plus énergétiques de notre galaxie. Parallèlement, un autre type d'observatoire en Chine, perché sur un haut plateau montagneux, scrute le ciel à la recherche de rayons gamma de très haute énergie. Ce sont les formes de lumière les plus énergétiques, souvent produites lorsque des rayons cosmiques — des noyaux atomiques se déplaçant à des vitesses fulgurantes — sont accélérés à des vitesses incroyables. Un mystère de longue date en astrophysique demande si ces rayons gamma sont créés par des électrons ou par des protons. S'ils proviennent de protons, ces collisions devraient également produire des neutrinos. Trouver une source de rayons gamma et un neutrino provenant exactement du même endroit dans le ciel constituerait la preuve irréfutable, prouvant que l'univers accélère des protons à des énergies bien au-delà de ce que toute machine fabriquée par l'homme peut atteindre.

Une équipe de chercheurs s'est récemment lancée dans le test de cette connexion en utilisant les données de deux observatoires majeurs : le Large High Altitude Air Shower Observatory, connu sous le nom de LHAASO, et l'Observatoire de neutrinos IceCube. LHAAS_O a cartographié le ciel et identifié quatre-vingt-dix sources distinctes de rayons gamma de très haute énergie, dont certaines atteignent des énergies un million de fois supérieures à celles des rayons X médicaux. IceCube, quant à lui, a enregistré des centaines d'événements de neutrinos de haute énergie qui ont été signalés comme des potentiels signaux provenant de l'espace profond. Les scientifiques se sont posé une question simple mais profonde : les sources de rayons gamma et les événements de neutrinos se chevauchent-ils dans le ciel ? Si les rayons gamma sont effectivement le sous-produit de collisions de protons, les neutrinos devraient provenir des mêmes endroits.

Pour répondre à cela, les chercheurs ont comparé les positions des quatre-vingt-dix sources de rayons gamma trouvées par LHAASO avec les emplacements de 348 événements de neutrinos enregistrés par IceCube. Ils se sont concentrés spécifiquement sur les neutrinos les plus énergétiques, ceux dont l'énergie est supérieure à 100 TeV, car ce sont ceux qui sont les plus susceptibles d'être liés aux puissants accélérateurs repérés par LHAASO. L'équipe a cherché toute instance où la position incertaine d'un événement de neutrino touchait la zone d'une source de rayons gamma. Ils ont trouvé plusieurs de ces chevauchements. Dans neuf cas, un événement de neutrino semblait partager un emplacement avec une source de rayons gamma en utilisant une définition stricte de l'incertitude de position, et dans dix cas lorsque la définition était légèrement assouplie.

Cependant, trouver deux choses au même endroit ne signifie pas toujours qu'elles sont liées. Le ciel est encombré de sources, et les neutrinos peuvent arriver de n'importe où. Pour déterminer si ces chevauchements étaient significatifs ou s'il s'agissait d'un accident aléatoire, l'équipe a lancé une simulation informatique massive. Ils ont mélangé les positions des neutrinos dans le ciel des milliers de fois, en gardant les sources de rayons gamma fixes, pour voir combien de fois un neutrino aléatoire atterrissait près d'une source par pur hasard. Les résultats de cette simulation ont montré que les chevauchements trouvés n'étaient pas rares. En fait, la probabilité statistique d'observer autant de chevauchements par hasard était assez élevée. Cela signifie que les données ne soutiennent pas l'idée que les sources de rayons gamma et les neutrinos sont physiquement connectés. La coïncidence spatiale semble être accidentelle plutôt que le signe d'une origine commune.

Les chercheurs ont poussé l'enquête plus loin en posant une question théorique : même si les positions correspondaient, ces sources pourraient-elles réellement produire assez de neutrinos pour expliquer ce qu'IceCube observe ? Ils ont supposé le scénario le plus favorable possible : que chaque rayon gamma détecté par LHAASO soit créé par des protons entrant en collision avec du gaz, un processus qui produit inévitablement des neutrinos. Sous cette hypothèse, ils ont calculé le nombre maximum possible de neutrinos que ces sources pourraient nous envoyer. Lorsqu'ils ont comparé ce maximum théorique au nombre réel de neutrinos détectés par IceCube, les résultats ont été décevants. Pour la grande majorité des sources, la production théorique de neutrinos était bien trop faible pour rendre compte des événements de neutrinos observés. Même dans le cas le plus optimiste, où chaque rayon gamma est le signe d'une activité de protons, les sources n'ont tout simplement pas la puissance nécessaire pour produire les neutrinos que IceCube capte.

Cette étude ne permet pas d'exclure la possibilité que certaines de ces sources soient effectivement des accélérateurs de particules cosmiques, mais elle suggère qu'elles ne sont pas celles responsables des événements de neutrinos spécifiques détectés jusqu'à présent. L'absence de lien fort implique que soit les rayons gamma sont produits par des électrons plutôt que par des protons, soit les neutrinos proviennent de sources différentes, encore non découvertes. Ces conclusions mettent en évidence une lacune dans notre compréhension actuelle et pointent vers la nécessité d'instruments plus sensibles. Les chercheurs concluent que pour véritablement résoudre le mystère des rayons cosmiques galactiques, nous aurons besoin de détecteurs d'une sensibilité bien plus grande, tels que le futur IceCube-Gen2, qui sera capable de voir des signaux plus faibles et de localiser les sources avec une précision bien plus élevée. D'ici là, la connexion entre ces balises de rayons gamma de haute énergie et les neutrinos fantomatiques reste une question ouverte, en attente de preuves plus claires de la part de la prochaine génération d'observatoires cosmiques.

Résumé technique : Corrélation entre les sources de rayons gamma très haute énergie de la Voie lactée détectées par LHAASO et les neutrinos de haute énergie

Énoncé du problème
L'Observatoire LHAASO (Large High Altitude Air Shower Observatory) a identifié 90 sources de rayons gamma à très haute énergie (VHE, $E > 0,1$ TeV), dont beaucoup sont de potentiels PeVatronsons capables d'accélérer des particules jusqu'à des échelles de PeV. Une question cruciale et non résolue en astrophysique des hautes énergies est de savoir si ces rayons gamma VHE proviennent de processus hadroniques (interactions de protons) ou de processus leptoniques (interactions d'électrons). Les interactions hadroniques ($pp$ ou $p\gamma$ ) produisent à la fois des rayons gamma VHE et des neutrinos de haute énergie, tandis que les processus leptoniques produisent des rayons gamma sans neutrinos accompagnateurs. Par conséquent, les neutrinos de haute énergie servent de « sonde exclusive » pour identifier l'activité hadronique. Malgré la détection d'un signal de neutrinos diffus galactique par l'Observatoire de Neutrinos IceCube, aucune source de neutrinos galactique individuelle crédible n'a été identifiée. Cette étude examine la corrélation spatiale et physique entre les 90 sources LHAASO et les événements de neutrinos de type « track » à haute énergie provenant du catalogue IceCat-1 (IceCube Event Catalog of Alert Tracks) afin de déterminer si les sources LHAASO sont les homologues de ces alertes de neutrinos.

Méthodologie
L'analyse utilise deux ensembles de données principaux :

Échantillon LHAASO : Le premier catalogue LHAASO contenant 90 sources de rayons gamma VHE. L'étude considère le catalogue complet, ainsi que des sous-ensembles détectés uniquement par le KM2A (Kilometer Squared Array) et le WCDA (Water Cherenkov Detector Array).
Échantillon IceCube : Le catalogue IceCat-1, comprenant 348 événements d'alerte de neutrinos de type « track ». Pour se concentrer sur les candidats potentiels de PeVatrons, les auteurs appliquent des critères de sélection stricts : énergie du neutrino $E_\nu \geq 100$ TeV et incertitude angulaire $\Omega_{90} \leq 10, 15$ et $20$ deg $^2$ . Cela produit respectivement 202, 234 et 249 événements qualifiés.

La méthodologie se déroule en trois étapes :

Recherche de coïncidence spatiale : Les auteurs définissent une coïncidence spatiale comme une intersection entre le rayon d'extension effectif d'une source LHAASO (calculé comme $\sqrt{\sigma_{p,95}^2 + r_{39}^2}$ ) et la région d'incertitude de position à 90 % d'une alerte de neutrino.
Signification statistique (Monte Carlo) : Pour distinguer les associations physiques des chevauchements spatiaux aléatoires, les auteurs effectuent 10 000 simulations de Monte Carlo (MC). Dans ces simulations, l'ascension droite (RA) des événements de neutrinos est randomisée tout en maintenant la déclinaison et les régions d'erreur fixes (pour préserver la sensibilité de IceCube dépendante du zénith). La valeur $p$ est calculée comme la probabilité d'obtenir un nombre de coïncidences égal ou supérieur au nombre observé ( $\nu_{real}$ ) sous l'hypothèse nulle d'une distribution aléatoire.
Comparaison de flux : En supposant que les rayons gamma sont produits exclusivement via des interactions hadroniques $pp$, les auteurs estiment le flux de neutrinos théorique « le plus optimiste » pour les sources en chevauchement. Ils modélisent le spectre des protons parents comme une loi de puissance avec coupure exponentielle et calculent le flux de neutrinos attendu. Ce flux théorique est ensuite comparé aux contraintes de flux observées dérivées des événements d'alerte IceCat-1 dans la plage d'énergie $[30 \text{ TeV}, 300 \text{ TeV}]$ .

Résultats clés

Coïncidences spatiales : La recherche a identifié des chevauchements spatiaux entre les sources LHAASO et les alertes de neutrinos. Pour la sélection de base ( $\Omega_{90} \leq 10$ deg $^2$ ), 9 coïncidences ont été trouvées impliquant 7 événements de neutrinos et 8 sources LHAASO.
Signification statistique : Les simulations MC ont produit des valeurs $p$ de 0,237 (toutes sources), 0,312 (KM2A uniquement) et 0,115 (WCDA uniquement) pour la sélection de base. Ces valeurs sont bien supérieures au seuil de signification standard (0,05), indiquant que les chevauchements spatiaux observés sont cohérents avec un hasard de distribution. Les résultats sont restés cohérents à travers différents seuils de $\Omega_{90}$ (15 et 20 deg $^2$ ).
Contraintes de flux : Pour la majorité des sources en chevauchement, le flux de neutrinos théorique (en supposant une origine 100 % hadronique) est inférieur au flux requis pour expliquer les événements IceCube observés. Plus précisément, pour la plupart des paires, le flux prédit se situe en dessous de la limite inférieure de confiance à 95 % du flux observé. Seules trois paires spécifiques (par exemple, LHAASO J0634+1741u avec IC111209A) ont montré des flux théoriques qui pourraient potentiellement correspondre aux observations, mais celles-ci restent statistiquement insignifiantes dans le contexte plus large.
Interférence de l'émission diffuse : Les auteurs notent que de nombreuses sources LHAASO se situent près du plan galactique ( $|b| < 12^\circ$ ), où existe une émission de neutrinos diffuse significative. Ce mélange de sources discrètes et de fond diffus affaiblit davantage la fiabilité de l'association de neutrinos spécifiques à des sources LHAASO particulières.

Signification et conclusions
L'article conclut que, bien que les sources LHAASO soient de potentiels émetteurs de neutrinos galactiques, les données actuelles ne fournissent pas de preuves convaincantes d'une connexion physique directe entre les 90 sources répertoriées et les alertes de neutrinos de haute énergie d'IceCat-1. Les coïncidences spatiales semblent être accidentelles plutôt que physiques. De plus, sous l'hypothèse d'une production de rayons gamma purement hadronique, le flux de neutrinos maximal théorique provenant de ces sources est généralement insuffisant pour rendre compte des événements de neutrinos détectés.

Les auteurs soulignent que ces résultats mettent en évidence la nécessité d'instruments dotés d'une sensibilité accrue, tels qu'IceCube-Gen2, pour identifier de manière définitive les PeVatrons galactiques. L'étude met en lumière les limites de l'analyse actuelle, notamment l'utilisation d'une statistique de comptage de chevauchement simple (qui est conservatrice), la restriction aux événements d'alerte à haut seuil plutôt qu'à l'ensemble des données IceCube, et le recours à un indice spectral de loi de puissance unique. L'article affirme que des analyses futures utilisant l'échantillon complet d'événements IceCube et les détecteurs de prochaine génération sont nécessaires pour résoudre la connexion entre les sources gamma VHE galactiques et les neutrinos de haute énergie.

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