Le rayonnement neutrino diffus de la Galaxie, détecté par IceCube à un niveau de 5,7 sigma, ouvre une fenêtre directe sur les interactions hadroniques des rayons cosmiques avec le gaz interstellaire. Les modèles existants du fond diffus supposent généralement un spectre d'injection unique des rayons cosmiques sur toute la gamme d'énergie et ne tiennent pas compte des contributions indépendantes des différentes populations d'accélérateurs. Or, les restes de supernova ne peuvent guère accélérer les particules jusqu'aux énergies du PeV, tandis que les microquasars avec leurs jets relativistes sont des candidats naturels pour être des accélérateurs de PeV. Ce travail s'inscrit dans une série d'études récentes reliant les neutrinos diffus et les rayons gamma à des classes spécifiques de sources, mais il sépare pour la première fois ces classes dans un schéma numérique unifié.
Les auteurs modélisent la distribution spatio-temporelle des microquasars et des rémanents de supernovae dans la Galaxie, en fixant leurs positions selon un profil radial et une distribution verticale exponentielle avec une hauteur caractéristique de 0,15 kpc. Pour chaque source, la densité des rayons cosmiques est calculée à l'aide d'un propagateur de diffusion, avec une sortie libre aux frontières du halo à ±4 kpc. Les spectres d'injection des deux populations diffèrent : pour les rémanents de supernovae, l'indice est de 2,4 pour les protons et de 2,24 pour l'hélium, avec des énergies maximales de 68 et 468 TeV ; pour les microquasars, l'indice est de 2,0 et la coupure à 6 PeV. Les efficacités d'accélération sont ajustées sur les mesures locales de DAMPE et LHAASO au-dessus de 1 TeV. Les neutrinos secondaires et les rayons gamma sont calculés via des collisions hadroniques avec une distribution tridimensionnelle du gaz, incluant l'hydrogène atomique et moléculaire.
L'ajustement des efficacités donne des valeurs d'environ 10 % pour les protons des microquasars et de 6 % pour les protons des rémanents de supernovae, avec des incertitudes de l'ordre de quelques dixièmes de pour cent. Le spectre de neutrinos diffus prédit dans la Galaxie interne est cohérent avec les modèles d'IceCube, avec une dominance des rémanents de supernovae en dessous de 10 TeV et des microquasars au-dessus, ce qui explique naturellement le durcissement observé du spectre. Le flux gamma diffus, calculé en tenant compte de l'absorption par le rayonnement de fond, reproduit les données de LHAASO dans la Galaxie interne et externe. Au-dessus de 100 TeV, la contribution leptonique est supprimée par l'effet Klein-Nishina, et il reste un fond hadronique pur provenant des microquasars. Les cartes spatiales montrent que les points chauds dans le ciel des neutrinos ne correspondent pas à des accélérateurs individuels, mais à des régions de gaz dense sur lesquelles se projette la mer de rayons cosmiques.
Ce travail se distingue des études voisines en ce qu'il n'ajuste pas un spectre d'injection unique aux données, mais sépare physiquement deux populations de sources avec des énergies maximales et des indices différents. Cela permet d'expliquer le durcissement du spectre diffus au-dessus de 10 TeV comme une transition naturelle entre les rémanents de supernovae mous et les microquasars durs. Le modèle fournit un fond de référence testable pour la recherche de sources ponctuelles et relie les mesures locales des rayons cosmiques au rayonnement diffus global, malgré le caractère stochastique des sources proches.
À l'avenir, le modèle pourrait être étendu en ajoutant une diffusion anisotrope, des fluctuations dans la distribution des sources et des cartes plus détaillées du gaz interstellaire. La prise en compte des accélérateurs récents dont les particules n'ont pas encore atteint le système solaire mais interagissent déjà avec le gaz environnant permettrait d'affiner la contribution aux neutrinos diffus. Une analyse conjointe des cartes de neutrinos et de rayons gamma à haute résolution aiderait à séparer les restes leptoniques en dessous de 100 TeV et à caractériser le rayonnement hadronique jusqu'au PeV.
Les résultats auront un impact direct sur la recherche de sources ponctuelles de neutrinos dans le plan galactique, en fournissant un fond physiquement motivé pour IceCube, KM3NeT et Baikal-GVD. Ils fournissent également un modèle pour l'interprétation des données de LHAASO sur le rayonnement gamma diffus et pour tester les hypothèses sur les accélérateurs de PeV.
Les prochaines étapes consistent à inclure le transport anisotrope des rayons cosmiques et les fluctuations dans la distribution des sources afin d'obtenir des modèles auto-cohérents. Une évaluation systématique des incertitudes provenant des modèles d'interactions hadroniques et du champ magnétique galactique est également prévue.
Ce travail aborde directement le problème non résolu de l'origine des rayons cosmiques jusqu'aux énergies de PeV et la contribution des différentes classes d'accélérateurs galactiques. Il aborde également la question de savoir comment séparer le fond diffus des sources ponctuelles dans les observations multi-messagers, ce qui reste un défi clé pour l'astronomie des neutrinos.
Cette section s'adresse à l'auteur du travail et à ses collègues. Les travaux voisins ont été trouvés par une recherche sémantique dans notre archive, et non par correspondance de mots. Nous n'évaluons pas : nous montrons le champ autour.
Ce que fait ce travail
Les auteurs ont construit un modèle numérique du rayonnement diffus de neutrinos et de rayons gamma de la Galaxie, en séparant les contributions des restes de supernovae et des microquasars. Ils ont calculé la distribution spatiale des sources, les spectres d'injection avec différentes énergies maximales et indices, et ajusté les efficacités d'accélération sur les données de DAMPE et LHAASO. Le spectre de neutrinos obtenu est en accord avec IceCube, avec une dominance des restes de supernovae en dessous de 10 TeV et des microquasars au-dessus.
Où est sa force
Le modèle sépare physiquement deux populations d'accélérateurs avec des spectres d'injection différents, ce qui explique naturellement le durcissement observé du spectre diffus au-dessus de 10 TeV. Cela fournit un fond de référence testable pour les futures observations multi-messagers.
Vers où avancer
À essayer
Pourquoi cela peut compter
La séparation des contributions des différentes classes d'accélérateurs dans le fond diffus est importante pour l'interprétation des futures données d'IceCube-Gen2 et de KM3NeT, ainsi que pour la recherche de nouvelles populations de sources.
Travaux voisins dans notre archive
L'archive est vide autour de ce travail : l'analyse la plus proche n'est qu'à 0.60, contre 0,64 d'ordinaire. Il semble qu'on ait peu foré à côté.
L'efficacité d'accélération des protons par les microquasars, d'environ 10%, signifie que chaque objet de ce type en phase active injecte dans les rayons cosmiques une énergie comparable à la luminosité d'Eddington totale pour un trou noir de 10 masses solaires, soit environ $10^{39}$ erg/s.