Africa-Press – Togo. Quel cataclysme cosmique a pu donner naissance au neutrino le plus énergétique jamais détecté par KM3NeT en 2023? Cette question taraude les astrophysiciens depuis cette remarquable découverte. Et voici qu’une équipe de théoriciens de l’Université du Massachusetts (Etats-Unis) avance une piste audacieuse dans une étude parue la revue Physical Review Letters. Le neutrino pourrait être le produit de l’évaporation d’un trou noir primordial « quasi extrême », une catégorie d’astres formée peu après le Big Bang, mais que l’on n’a encore jamais observé…
Les événements les plus énergétiques du cosmos
Petit flash-back. Début février 2023, dans les profondeurs de la Méditerranée, le détecteur sous-marin KM3NeT enregistre un signal rarissime: une lueur bleutée issue de l’interaction entre un neutrino ultra-énergétique et un noyau d’atome. Deux ans d’analyses seront nécessaires pour établir les caractéristiques du neutrino. Mais cela valait la peine d’attendre: son énergie est estimée à 220 × 10^15 électronvolts, soit 220 PeV, 30 fois plus que plus que le précédent record.
Reste à déterminer sa provenance. Ces neutrinos extrêmes sont généralement associés aux environnements les plus violents du cosmos: trous noirs supermassifs au cœur des galaxies en train d’absorber de la matière, fusions d’étoiles à neutrons, ou sursauts gamma. Une autre piste est celle des neutrinos dits cosmogéniques, produits lorsque des rayons cosmiques ultra-énergétiques entrent en collision avec les photons du fond diffus cosmologique, la lumière fossile émise quelques centaines de milliers d’années après le Big Bang.
Mais aucun phénomène astrophysique violent n’a été identifié dans la direction d’où provenait le neutrino au moment de sa détection. Aucun sursaut gamma, aucune fusion d’étoiles à neutrons, aucun signal électromagnétique évident n’est venu l’accompagner. Quant à l’hypothèse cosmogénique, elle supposerait l’existence d’un flux régulier provenant de toutes les directions du ciel. Or, l’événement de 220 PeV reste isolé…
Un trou noir s’évapore
Enfin, une autre étrangeté intrigue les chercheurs: IceCube, le gigantesque détecteur enfoui dans la glace du pôle Sud, en fonctionnement depuis 2010, n’a enregistré aucun événement d’énergie comparable, ni ce fameux jour de février 2023, ni un autre. Face à ces contraintes, notre équipe de théoriciens du Massachusetts a donc proposé une hypothèse capable de cocher toutes les cases. Selon eux, le neutrino de 220 PeV pourrait provenir de l’explosion finale d’un trou noir primordial. Ces objets hypothétiques se seraient formés dans les toutes premières fractions de seconde de l’Univers, bien avant les étoiles et les galaxies.
Les plus légers d’entre eux achèveraient aujourd’hui leur existence en s’évaporant sous l’effet du rayonnement de Hawking, un processus au cours duquel un trou noir perd progressivement de la masse en émettant des particules. L’idée n’est pas nouvelle. Dès l’annonce de la détection, certains chercheurs avaient envisagé qu’un trou noir primordial en fin d’évaporation puisse être à l’origine du signal. Mais dans sa phase terminale, un tel objet libérerait en effet un intense flux de particules de très haute énergie, dont des neutrinos. Seulement, les versions les plus simples de ce scénario posent un sérieux problème: un trou noir primordial « standard » devrait aussi produire une abondance de rayons gamma et de neutrinos de plus basse énergie, qui auraient dû être détectés par d’autres observatoires…
Electron sombre
Pour contourner cette difficulté, les chercheurs ont donc exploré des variantes plus élaborées. Leur idée repose sur une propriété rarement évoquée: un trou noir peut, en théorie, posséder une charge. C’est en quelque sorte une copie de la chargé électrique classique, mais qui inclut une version hypothétique et très lourde de l’électron, que l’équipe nomme « électron sombre ». Dans ce scénario, le trou noir primordial évoluerait différemment. Une grande partie de son existence se déroulerait dans un état dit « quasi extrême », durant lequel son rayonnement est fortement atténué. Il n’émettrait alors que très peu de particules de basse énergie.
Ce n’est qu’au tout dernier moment, lorsque cette charge disparaît brutalement, qu’il libérerait un sursaut de particules extrêmement énergétiques, parmi lesquelles des neutrinos capables d’atteindre les 200 PeV. Autrement dit, ce scénario permettrait d’expliquer pourquoi un neutrino exceptionnellement énergétique a été observé en Méditerranée, sans qu’un flot d’événements moins énergétiques n’ait été enregistré auparavant par IceCube, particulièrement sensible dans la gamme du pétaélectronvolt. Le modèle concentre en effet l’émission dans une fenêtre d’énergie plus élevée — autour de 100 à 200 PeV — où KM3NeT excelle.
Une ouverture vers la matière noire
Il n’empêche que l’hypothèse des chercheurs donne un peu le vertige. « Car si une telle explosion était observée, elle nous fournirait un catalogue définitif de toutes les particules subatomiques existantes, depuis celles que nous avons déjà observées, comme les électrons, les quarks et les bosons de Higgs, jusqu’aux hypothétiques particules de matière noire », s’enthousiasme l’université du Massachussets dans un communiqué. Hélas, rien dans les données actuelles ne permet d’affirmer qu’un tel trou noir primordial chargé existe réellement.
Parmi les découvreurs du signal, la prudence reste donc de mise. Véronique Van Elewyck, physicienne à l’université Paris Cité et membre de la collaboration KM3NeT, rappelle à Sciences et Avenir que l’idée d’un trou noir primordial à l’origine de l’événement a été envisagée très tôt. « Cela reste un sujet d’actualité, mais il n’y a clairement pas de consensus aujourd’hui sur un modèle capable d’expliquer à lui seul l’événement de KM3NeT ». La traque aux neutrinos intense se poursuit donc, afin de récolter d’autres indices sur leur origine.
