Quatre réseaux de télescopes Tcherenkov atmosphériques ont mis en commun leurs données pour rechercher des signaux gamma émis par les mêmes sources que les neutrinos détectés par IceCube, l'observatoire international installé en Antarctique. Ces particules sont produites par des phénomènes cosmiques extrêmement puissants, comme les supernovae ou les blazars, où des particules sont accélérées à des énergies très élevées. Dans ces conditions, la source devrait émettre à la fois des neutrinos et des rayons gamma. Cette collaboration internationale est une première mondiale pour traquer ces messagers cosmiques et comprendre les sources les plus violentes de l'Univers.
Pourquoi chercher les rayons gamma associés aux neutrinos ?
L'astronomie est entrée dans l'ère de l'astrophysique « multimessager », où les phénomènes cosmiques sont étudiés via le rayonnement électromagnétique, les neutrinos et les ondes gravitationnelles. Lorsqu'un neutrino est produit dans une source astrophysique, il est censé être accompagné de rayons gamma de haute énergie. Ces derniers sont plus faciles à détecter et permettent de confirmer que la source est un véritable accélérateur cosmique. Même en l'absence de détection, il est possible d'établir des limites sur l'émission de la source.
Une analyse internationale sur plusieurs années
L'étude menée par le CEA-Irfu couvre les observations de suivi d'événements de neutrinos de haute énergie entre septembre 2017 et janvier 2021. Aucun lien direct entre sources de rayons gamma et événements de neutrinos n'a été détecté. Mais cette analyse a permis de définir des limites supérieures sur le flux de rayons gamma que ces sources pourraient émettre. La combinaison des données de plusieurs télescopes a rendu ces limites beaucoup plus strictes que celles obtenues par un seul instrument, permettant d'écarter certains modèles théoriques d'accélération des rayons cosmiques.
Les chercheurs ont coordonné leurs télescopes pour suivre les alertes de neutrinos et combiner leurs données afin de fixer des limites supérieures sur le flux de rayons gamma associé à chaque événement. Une détection simultanée aurait permis d'identifier directement la source. Un exemple concret : en mars 2019, H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System, réseau de télescopes Tcherenkov atmosphériques situé en Namibie) a observé des rayons gamma très énergétiques provenant d'un blazar (type particulier de galaxie active dont le centre abrite un trou noir supermassif très énergétique), après qu'IceCube ait détecté un amas de neutrinos dans la même région. L'analyse a néanmoins montré que le flux gamma correspondait à l'émission habituelle du blazar et que les neutrinos détectés étaient probablement dus à une fluctuation aléatoire du fond.
Quelles implications pour la science ?
Ces résultats permettent d'exclure certains modèles théoriques prédisant un flux de rayons gamma supérieur aux limites observées. L'étude montre également la capacité des télescopes actuels à fonctionner comme un réseau mondial, réagissant rapidement aux alertes d'IceCube.
Enfin, ce travail prépare le terrain pour le futur Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO), qui offrira une sensibilité améliorée et des temps de réaction rapides, ainsi que pour les observatoires de neutrinos de prochaine génération, renforçant notre capacité à observer en temps réel ces événements cosmiques violents.