Astronomie avec des neutrinos

L'essentiel de notre connaissance de l'Univers provient de son observation à l'aide de la lumière, les photons.

Les photons bénéficient de nombreux avantages comparés aux rayons cosmiques qui bombardent en permanence notre atmosphère : ils sont produits abondamment par de nombreux phénomènes, ils sont neutres et voyagent longtemps donc permettent de voir loin. Ils sont relativement faciles à détecter sur un grand domaine de longueur d'onde (c'est-à-dire d'énergie). Ils transportent des informations détaillées sur la façon dont ils ont été produits et permettent d'appréhender le fonctionnement des objets célestes.

Mais les photons s'échappent difficilement des régions denses et chaudes des étoiles, des noyaux actifs de galaxie et autres sources très énergétiques qui peuplent l'Univers. Ces régions ne peuvent donc être étudiées directement. Leurs propriétés ne peuvent être déduites que de façon indirecte. Par exemple, les photons qui nous proviennent du Soleil sont émis depuis les couches les plus externes, la photosphère, bien loin du cœur où se produisent les réactions de fusion de l'hydrogène en hélium.

En outre, les photons interagissent avec les autres photons qui baignent l'ensemble de l'Univers (fond cosmologique à 3K ou fond infrarouge). L'observation de l'Univers en photon à haute énergie (au-delà de 10 TeV, c'est-à-dire, 10000 milliards d'électron-volts) se limite aux distances inférieures à 100 Mpc (300 millions d'années lumières. La galaxie a une taille d'environ 100 000 années lumières, et l'Univers 12 à 15 milliards d'années lumières).

Pour observer l'intimité des objets astrophysiques lointains et obtenir une description de l'Univers sur de grandes distances, il faut utiliser un messager électriquement neutre (sa trajectoire n'est alors pas déviée par les champs magnétiques), stable (il ne se désintègre pas en cours de route) et qui interagisse faiblement (il peut sortir des régions denses et atteindre les détecteurs terrestres malgré les fonds diffus de photons).

Le seul candidat remplissant toutes ces conditions à la fois est le neutrino.

Des sources astrophysiques sont connues pour émettre des neutrinos de faible énergie (de l'ordre du MeV). C'est le cas par exemple du Soleil. Les neutrinos solaires sont étudiés depuis une trentaine d'années. C'est également le cas des Supernovae lors de leur explosion (une bouffée de neutrinos a été observée en 1987 par les expérience Kamiokande et IMB en provenance de la supernova SN1987A)

©Anglo-Australian Observatory, Photograph from UK Schmidt plates by David Malin.

On n'a jusqu'à maintenant jamais observé de source de neutrinos de très haute énergie, contrairement aux sources de photons, mais la présence de rayons cosmiques de très hautes énergies laissent à penser que ce type de neutrinos doit être produit dans l'Univers. En particulier ces dernières années, des particules ont été observées dans le rayonnement cosmique avec des énergie de l'ordre du Joule (10²⁰ eV, l'énergie d'une balle de tennis lancée à une centaine de kilomètres à l'heure!). Mais une fois encore, les rayons cosmiques primaires qui atteignent les couches supérieures de l'atmosphère terrestre ont été déviés et ralentis par le milieu inter-galactique. Il est clair que leur production dans l'Univers doit être beaucoup plus importante que ce qui nous est permis d'observer avec les détecteurs terrestres.

L'origine exacte des rayons cosmiques est inconnue même si les restes de supernovae et les noyaux actifs de galaxies pourraient être des candidats de choix. 

Les sources produisant les rayons cosmiques primaires sont susceptibles de produire des photons de haute énergie, mais également des neutrinos très énergétiques.

L'astronomie neutrino offre la possibilité d'observer le cœur des sources astrophysiques les plus énergétiques de l'Univers.

Mais détecter ces neutrinos est un nouveau défi à relever, car leur faible interaction avec la matière, leur principal avantage, les rend extrêmement difficiles à observer.