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Le télescope Fermi confirme l'énigme des positrons cosmiques

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Un flux anormalement élevé de particules d'antimatière, des positrons, existe bel et bien selon les observations indirectes de Fermi, le télescope gamma en orbite autour de la Terre. On ne sait malheureusement toujours pas s'il s'agit d'une preuve de l'existence de la matière noire dans la Voie lactée.

Une vue d'artiste de Fermi en train d'observer l'univers en gamma. © Nasa and General Dynamics

Depuis plusieurs années, le télescope spatial Fermi scrute l'univers dans le domaine des rayons gamma, cherchant à nous en apprendre plus sur les astres les plus exotiques de l'Univers que sont les trous noirs et les étoiles à neutrons. On espère aussi qu'il contribuera à lever le voile sur le mystère de la matière noire. Bien que de nombreuses preuves indirectes de son existence nous soient connues, rien ne remplacerait une détection directe, par des produits de désintégrations bien spécifiques dans l'espace ou encore dans les collisions au LHC.

L'une des signatures possibles de la matière noire est celle d'un excès de positrons à hautes énergies. Ces antiparticules de l'électron peuvent être produites par certains processus astrophysiques classiques associés aux naines blanches et aux pulsars par exemple. Mais les populations de ces astres dans la Galaxie ne semblent pas en mesure d'expliquer l'importance du flux de ces particules d'antimatière à des énergies aussi élevées que 100 GeV, observé par le satellite Pamela.

Toutefois, certains doutaient l'existence de ce flux en mettant en cause la fiabilité des mesures des instruments de Pamela. En outre, même si le phénomène était bien réel, rien n'empêchait de postuler l'existence d'un pulsar encore indétecté, proche de notre Système solaire, expliquant l'abondance des antiélectrons observée.

Ce schéma montre la région orange où dominent les électrons et la région violette où dominent les positrons. C'est l'effet combiné de la magnétosphère de la Terre et des roches la constituant qui explique cette séparation des électrons et positrons du rayonnement cosmique. © Justin Vandenbroucke, Fermi-LAT collaboration

Le satellite Fermi n'est pas lui-même en mesure de faire la différence entre des électrons et des positrons car il faudrait qu'il soit équipé d'un aimant courbant dans des sens opposés les trajectoires de ces particules. Il est toutefois capable de mesurer le spectre en énergie de ces particules puisque c'est de cette façon qu'il détecte des rayons gamma. En effet, Fermi mesure les caractéristiques des paires d'électron-positron créées par des photons gamma dans ses instruments.

La magnétosphère de la Terre sépare matière et antimatière

À priori, Fermi ne semblait donc pas l'outil adapté à une confirmation des observations de Pamela. Mais les physiciens sont des gens malins. L'un d'entre eux a fait remarquer qu'il y avait bien un aimant dans l'espace capable de séparer les populations d'électrons et de positrons présentes dans le rayonnement cosmique, à savoir la Terre et son champ magnétique. Il suffisait donc d'utiliser les travaux des géophysiciens externes ayant cartographié le champ magnétique de la Terre dans l'espace pour déterminer les régions où les observations pouvaient donner accès au flux dominé par les positrons.

Une fois les mesures du spectre en énergie effectuées, les chercheurs ont effectivement confirmé les observations de Pamela et les ont même étendues de 100 GeV à 200 GeV. Le flux de positrons continue à augmenter avec l'énergie alors qu'il devrait diminuer selon les modèles classiques de productions secondaires de ces particules d'antimatière, lors de collisions entre les particules de matière des rayons cosmiques et celles du milieu interstellaire. On l'explique en effet par la désintégration des pions produits lors des collisions entre les noyaux présents dans les rayons cosmiques et ceux présents dans le gaz interstellaire.

Une façon d'expliquer cet excès fait intervenir la désintégration de Wimps, des particules de matière noire. Sauf que la persistance de la croissance du spectre en énergie des positrons jusqu'à 200 GeV ne peut s'interpréter dans ce scénario qu'en admettant que les particules de matière noire soient plus lourdes que ce que l'on pensait.

Malheureusement, cela semble être peu compatible avec les limites posées par d'autres observations. Si bien que certains physiciens en déduisent que les observations de Fermi, tout en confirmant celles de Pamela, excluent une signature de matière noire. L'énigme demeure, bien que l'interprétation par la présence d'un pulsar devienne de plus en plus crédible.

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