Neutrinos des supernovae ratées : une nouvelle frontière d'observation

Les Neutrinos, c'est des toutes petites particules qui sont produites en grande quantité pendant certains événements astronomiques, surtout pendant les supernovae - les morts explosives de grandes étoiles. Parfois, une supernova peut ne pas créer l'explosion attendue, et ça donne ce qu'on appelle une supernova ratée. Cet événement peut mener à la formation d'un trou noir au lieu d'une explosion classique de supernova.

Au Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) en Italie, les chercheurs cherchent des façons d'observer les neutrinos issus de ces supernovae ratées. Ils pensent que des expériences existantes axées sur d'autres sujets, comme la matière noire et la désintégration bêta double sans neutrinos, peuvent aussi détecter les neutrinos libérés pendant ces événements rares. Ça peut se faire en utilisant les "zones de veto" de ces détecteurs, qui sont conçues pour bloquer les signaux indésirables, créant un réseau de petits détecteurs capables de capturer des neutrinos.

Quand une grande étoile manque de carburant, elle ne peut plus résister à la gravité, ce qui provoque l'effondrement du cœur. Cet effondrement engendre des densités et des températures extrêmement élevées. Le cœur interne rebondit, créant des ondes de choc. Si l'onde de choc ne provoque pas une explosion complète et que le cœur continue à attirer plus de masse, un trou noir peut se former. Pendant ce processus, une grande quantité d'énergie est libérée, la plupart étant emportée par les neutrinos en environ dix secondes. Jusqu'à maintenant, seule une supernova, SN1987A, a été détectée grâce aux signaux de neutrinos.

Bien que les supernovae soient rares (environ une tous les siècles dans notre galaxie), si une autre se produisait à proximité, les détecteurs actuels et futurs pourraient observer des milliers d'événements de neutrinos. Ça donnerait des alertes précieuses aux télescopes optiques pour capter la lumière qui suit l'explosion.

Dans les cas où des étoiles extrêmement massives s'effondrent, elles peuvent ne pas exploser complètement. Au lieu de ça, la matière qui tombe sur une étoile proto-neutron peut mener à la formation d'un trou noir. Dans cette situation, les émissions de neutrinos et d'ondes gravitationnelles pourraient s'arrêter soudainement, avec peu ou pas de signal lumineux de l'étoile avant qu'elle ne disparaisse. Ça veut dire que détecter les neutrinos et les ondes gravitationnelles est crucial pour comprendre ces événements.

Différents types de détecteurs peuvent capter les neutrinos, y compris des réservoirs d'eau, des détecteurs à scintillation liquide, et des détecteurs conçus pour chercher la matière noire. Le site LNGS a plusieurs expériences en cours, y compris le Large Volume Detector (LVD), qui vise à détecter des neutrinos provenant de supernovae. Ces diverses expériences utilisent d'importants réservoirs d'eau comme zones de veto pour filtrer le bruit des autres sources, comme les rayons cosmiques ou la radioactivité naturelle.

Les chercheurs proposent d'utiliser ces zones de veto de différentes expériences comme un réseau combiné pour détecter les neutrinos des supernovae à effondrement de cœur (CCSNe). Ils pensent aussi que ce réseau pourrait déterminer précisément quand un trou noir se forme, permettant aux détecteurs d'ondes gravitationnelles, comme VIRGO et le futur Télescope d'Einstein, de chercher des ondes gravitationnelles qui pourraient accompagner le signal de neutrinos.

L'article parle des modèles d'émission de neutrinos issus de supernovae ratées et décrit les taux d'événements des différents détecteurs au LNGS. La luminosité des neutrinos et l'énergie moyenne devraient changer au fil du temps. En prenant en compte certains modèles, ils espèrent calculer le timing de formation des trous noirs avec leurs détecteurs.

Le LVD est un grand détecteur à scintillation liquide et est actuellement opérationnel au LNGS. D'autres expériences en cours, comme COSINUS, LEGEND-200, et XENONnT, ont aussi des zones de veto qui peuvent fonctionner dans cette recherche. Ces réservoirs de tailles différentes sont essentiels pour détecter les neutrinos, surtout ceux des supernovae proches.

Le principal processus pour détecter les neutrinos de supernova implique une interaction appelée désintégration bêta inverse, où les antineutrinos électroniques interagissent avec des protons libres. Les taux d'événements pour ces interactions peuvent être significatifs, surtout si la supernova est proche de la Terre.

Pour les supernovae ratées proches, le taux d'événements prévu peut être très élevé, signifiant que beaucoup de neutrinos seraient détectables. Cette découverte est essentielle pour planifier les futures expériences et maximiser leurs capacités de collecte de données.

Le nombre attendu d'événements de neutrinos pour différents détecteurs dépend de la distance de la supernova à la Terre. Le LVD et les zones de veto des autres détecteurs sont suffisamment sensibles pour capter des signaux de supernovae même dans des galaxies voisines comme le Petit Nuage de Magellan.

Il y a une prédiction détaillée sur le nombre d'événements de désintégration bêta inverse que chaque détecteur peut attendre d'une supernova à une certaine distance en kiloparsecs. La structure modulaire des zones de veto assure qu'elles peuvent maintenir un rythme opérationnel élevé, donc si un détecteur est en maintenance, les autres peuvent continuer à observer.

La capacité de ces détecteurs à fournir un timing précis pour la formation de trous noirs est cruciale. Ce timing aide les chercheurs à faire le lien avec les ondes gravitationnelles, ce qui est particulièrement important si aucune lumière de la supernova ne peut être vue.

Les chercheurs réalisent des simulations pour estimer divers temps liés à la détection des neutrinos et à la formation des trous noirs. Ils analysent le timing du premier et du dernier événement de neutrinos, voulant corréler ces temps avec celui de la formation d'un trou noir. L'objectif est d'avoir un timing précis lorsque les alertes sont envoyées aux détecteurs d'ondes gravitationnelles.

L'étude indique qu'il y a une différence systématique entre le moment du dernier neutrino détecté et le moment où le trou noir se forme vraiment. La différence peut être décrite par une quantité calculée dérivée des données observées, ce qui aide à fournir une meilleure estimation du temps de formation.

Combiner les données de différents détecteurs améliore la précision des estimations de timing. Cette approche réseau peut réduire considérablement les incertitudes par rapport aux systèmes à détecteur unique.

Les incertitudes attendues dans la mesure du temps de formation des trous noirs varient entre les modèles et les détecteurs. Pour les configurations actuelles du LNGS, l'incertitude pourrait être similaire à celle des expériences de supernova dédiées. Les futurs détecteurs comme LEGEND-1000 et DARWIN devraient améliorer encore ces mesures de timing.

Bien que certains autres détecteurs, comme Super-Kamiokande, puissent produire des mesures plus précises, le LNGS a l'avantage d'être proche des détecteurs d'ondes gravitationnelles. Cette connexion pourrait faciliter une meilleure coordination et des alertes plus rapides pour les recherches d'ondes gravitationnelles.

Au fur et à mesure que les recherches avancent, le LNGS prévoit d'exploiter son infrastructure existante et ses futures expériences pour maximiser les résultats scientifiques de la détection des neutrinos. La combinaison de différents types de détecteurs et d'approches fournira une vue d'ensemble des supernovae à effondrement de cœur et des phénomènes de supernovae ratées.

En utilisant la technologie des détecteurs existants, les chercheurs peuvent obtenir des informations précieuses sur les événements astrophysiques sans se lancer dans de nouveaux projets entièrement coûteux. Cette stratégie est à la fois rentable et opportune, garantissant que les avancées actuelles fournissent les meilleurs résultats possibles dans la détection des neutrinos provenant des supernovae.

En résumé, la capacité d'observer les neutrinos issus de supernovae ratées au LNGS promet d'améliorer significativement la compréhension de ces événements cosmiques. Les efforts combinés de différents détecteurs aident non seulement à mesurer les émissions de neutrinos avec plus de précision, mais fournissent aussi des informations de timing critiques pour les signaux d'ondes gravitationnelles associés. Les recherches continues dans ce domaine promettent de révéler plus d'informations sur les morts violentes des étoiles et la formation des trous noirs, révélant ainsi plus de choses sur l'univers dans lequel on vit.