IceCube ne possède ni miroir géant ni coupole pointée vers le ciel et non, on ne parle pas ici du chanteur Rap Ice Cube. Mais du télescope bizarroide qui est formé de milliers de capteurs installés au cœur d’un kilomètre cube de glace, sous le pôle Sud. Ce choix assez fou n’est pas seulement lié à l’isolement de l’Antarctique. La glace profonde fournit exactement ce qu’il faut pour repérer des particules presque impossibles à observer.
Un télescope qui ne regarde pas la lumière des étoiles
IceCube cherche des neutrinos. Ces particules sont électriquement neutres, extrêmement légères et capables de traverser la matière presque sans la toucher. Des milliards de neutrinos passent à travers notre corps en permanence sans produire le moindre effet visible.
C’est justement le problème. Pour en détecter quelques-uns, il faut surveiller une quantité gigantesque de matière. IceCube utilise donc la glace elle-même comme volume de détection. Plus de 5 000 modules optiques numériques sont répartis sur des lignes verticales descendues dans des trous forés au pôle Sud.
De temps en temps, un neutrino entre en collision avec un noyau atomique dans la glace. Cette interaction produit une particule chargée qui se déplace très vite. Elle génère alors une faible lumière bleue appelée rayonnement Tcherenkov. Les capteurs enregistrent le moment et l’intensité de cette lumière, puis les chercheurs reconstruisent la direction et l’énergie du neutrino.
Pourquoi descendre à plus de 1 450 mètres ?
Vous allez me dire : pourquoi ne pas placer les détecteurs plus près de la surface ? Ce serait forcément plus simple à construire et à entretenir.
Le souci vient des bulles d’air. Dans les couches supérieures, la glace contient encore de nombreuses bulles qui diffusent la lumière dans tous les sens. Les signaux deviennent difficiles à interpréter. Plus profondément, la pression a transformé ces bulles et la glace devient beaucoup plus transparente sur les distances utiles à IceCube.
À partir d’environ 1 450 mètres, les capteurs profitent donc d’une glace ancienne, stable et suffisamment claire. Les modules les plus profonds descendent jusqu’à environ 2 450 mètres. À cette profondeur, l’obscurité est totale et les variations saisonnières de température ne perturbent pratiquement plus l’installation.
Cette profondeur sert aussi de bouclier. Une grande partie des particules produites dans l’atmosphère est arrêtée avant d’atteindre le détecteur. Il reste encore un bruit de fond important, notamment des muons issus des rayons cosmiques, mais les chercheurs peuvent mieux le filtrer et repérer les événements vraiment intéressants.
Pourquoi l’Antarctique plutôt qu’un immense réservoir d’eau ?
On pourrait construire un réservoir artificiel, mais il faudrait un volume absolument énorme. La calotte antarctique fournit déjà cette matière transparente sur plusieurs kilomètres, sans avoir à fabriquer une cuve de taille délirante.
La glace possède un autre avantage : une fois les capteurs gelés en profondeur, ils restent parfaitement immobiles. Leur position peut être mesurée avec précision, ce qui aide à reconstruire le trajet de la lumière. Dans un détecteur sous-marin, les lignes de capteurs peuvent légèrement bouger avec les courants.
Par contre, rien n’est accessible après l’installation. Si un module tombe en panne, personne ne descend à deux kilomètres pour le remplacer. IceCube a donc été conçu pour fonctionner pendant des années avec un ensemble de capteurs robustes et une certaine tolérance aux défaillances.
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La Terre entière devient une partie du détecteur
IceCube peut observer des neutrinos venant du ciel au-dessus de l’Antarctique, mais aussi ceux qui ont traversé toute la planète. La Terre bloque de nombreuses autres particules, alors que les neutrinos peuvent la franchir. Lorsqu’un signal semble remonter depuis l’hémisphère Nord, notre planète a donc servi de filtre géant.
C’est avec tout ça qu’IceCube a ouvert une nouvelle fenêtre sur l’Univers. Les neutrinos peuvent s’échapper de régions très denses où la lumière est absorbée. Ils apportent des informations différentes de celles des télescopes classiques et des détecteurs d’ondes gravitationnelles.
Le Nobel attribué à Francis Halzen récompense cette idée devenue un véritable outil d’astronomie. Le plus étonnant, au final, c’est qu’IceCube observe le cosmos en regardant de minuscules éclairs dans de la glace vieille de plusieurs milliers d’années.