Une vue d'artiste d'un pulsar accrétant de la matière et émettant deux jets de particules. © Nasa, GSFC SVS, Dana Berry
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Un torrent d'antimatière long de 6 années-lumière émis par un pulsar !

ActualitéClassé sous :Astronomie , matière noire , Pulsar

Les pulsars sont des étoiles à neutrons en rotation. On savait qu'ils pouvaient produire des jets de particules contenant de l'antimatière, mais celui du pulsar PSR J2030 + 4415 est un monstre battant un record. Son existence a des implications sur les détections indirectes de particules de matière noire dans la Voie lactée.

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[EN VIDÉO] Interview : quelles particules composent la matière noire ?  Selon les calculs et les observations, il existerait dans l'espace une grande quantité de matière invisible. Cette masse mystérieuse, baptisée matière noire, est encore aujourd'hui une énigme à laquelle se frottent de nombreux chercheurs. Dans le cadre de sa série de vidéos Questions d’experts, sur la physique et l’astrophysique, l’éditeur De Boeck a interrogé Richard Taillet, chercheur au LAPTH, afin qu'il nous en dise plus sur cette matière noire. 

Toutes les mesures concernant l'Univers observable nous indiquent qu'il est très majoritairement composé de matière et pas d'antimatière. C'est une énigme de la cosmologie car la théorie du Big Bang basée sur la physique connue implique qu'autant de matière que d'antimatière aurait dû être produite pendant cette période très chaude et très dense du cosmos connu, alors que pas même des noyaux d'atomes n'existaient encore.

On pourrait imaginer que l'antimatière et la matière se sont réparties comme l'eau et l'huile dans une émulsion mais l'on aurait alors potentiellement à petite échelle des zones de contact entre ces régions qui conduiraient à des annihilations entre particules de matière et d'antimatière, générant un flux de rayons gamma notable. On n'observa rien de tel dans l'Univers connu qui ne semble donc contenir ni galaxie ni étoile faites d’antimatière.

Toutefois, on observa bien des anti-électrons et des anti-protons dans le flux de rayons cosmiques en dehors de la Terre, comme l'a montré notamment le détecteur AMS (Alpha Magnetic Spectrometer) à bord de l'ISS. On sait aussi qu’en rapport avec l’explosion de supernovae, des processus d’accélération de particules se produisent dans la Voie lactée conduisant des particules de matière à entrer en collision, ce qui donne des réactions productrices d'antimatière. On sait également que les pulsars, ces étoiles à neutrons très denses et en rotation, peuvent produire des particules d'antimatière, surtout des positrons, les antiparticules des électrons. Les éjectats de supernovae contiennent aussi des éléments radioactifs qui se désintègrent en donnant des positrons.

Une courte présentation des pulsars. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Nasa Goddard

Des positrons de pulsar ou de matière noire ?

Au final, il doit donc y avoir un tout petit peu d'antimatière, produit par des sources astrophysiques, qui circule à travers les champs magnétiques turbulents de notre Galaxie à la façon des particules de pollen effectuant un mouvement brownien stochastique. Mais la quantité de positron découvert par AMS et d'autres détecteurs en orbite est plus élevée que prévu.

Certains y voient une preuve indirecte de l’existence des particules de matière noire postulée par le modèle cosmologique standard. En effet, certaines théories proposées concernant ces particules non seulement leur permettent de s'annihiler en entrant en collision, ce qui produit des antiparticules de matière normale, mais impliquent que ces annihilations sont plus fréquentes au cœur des galaxies, là où de la matière noire se concentrerait d'après ces théories.

Mais beaucoup d'astrophysiciens pensent que les mesures de flux de rayons cosmiques anormales concernant l'antimatière peuvent aussi très bien s'expliquer par la présence relativement proche du Système solaire, à l'échelle de la Voie lactée, d'une population de pulsars encore non détectés.

La découverte aujourd'hui annoncée par un groupe de chercheurs et concernant le pulsar PSR J2030 + 4415 (encore appelé J2030) qui est situé à environ 1.600 années-lumière du Soleil en direction de la Constellation du Cygne n'est donc pas anodine. Elle est exposée dans un article publié dans The Astrophysical Journal dont une version est en accès libre sur arXiv.

Une présentation de la découverte avec le pulsar J2030. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Chandra X-ray Observatory

Les astrophysiciens ont regardé de plus près les émissions dans le domaine des rayons X du pulsar et ont découvert que le faisceau de particules de matière et d'antimatière, mis en évidence déjà en 2020, était bien plus important et long que prévu selon les observations faites avec le célèbre satellite Chandra de la Nasa. Les données collectées en février 2021 montrent que le jet de particules est trois fois plus long qu'on ne le pensait et qu'il dépasse les 60.000 milliards de kilomètres, c'est-à-dire presque 6 années-lumière ! C'est un record et c'est impressionnant quand on réalise que le diamètre d'une étoile à neutrons est de quelques dizaines de kilomètres tout au plus.

Le jet de particules doit contenir une importante quantité d'antimatière sous forme de positrons et le fait qu'il s'étende aussi loin de sa source implique que les pulsars peuvent injecter bien plus de positrons dans le milieu interstellaire qu'on ne le pensait. C'est donc une raison de plus de penser que le flux d'anti-électrons détecté avec AMS n'est en réalité pas anormal et qu'il ne témoigne pas de l'existence des particules de matière noire.

Une vue du jet de particules de J2030 en fausses couleurs dans les données en rayons X de Chandra. © rayons X : Nasa, CXC, Stanford Univ., M. de Vries

Une production d'antimatière en cascade

Donnons quelques explications sur l'origine de ces jets de particules émis, on le pense, aux pôles magnétiques des pulsars.

On sait, en effet, comme prédit par la théorie, que l'effondrement gravitationnel d'une étoile en rotation aboutissant à la formation d'une étoile à neutrons en rotation rapide, qui se signale parfois comme un pulsar par ses impulsions radio collimatées, amplifie considérablement le champ magnétique initial de l'étoile.

À la surface de l'étoile à neutrons en rotation rapide dans son propre champ magnétique, la théorie de la relativité implique que ce champ donne aussi un champ électrique puissant pour un observateur au repos à la surface solide de l'étoile. Ce champ arrache des électrons aux atomes de fer de sa croûte et les accélère au point qu'ils émettent des photons gamma. Ces photons sont suffisamment énergétiques pour produire par divers processus d'électrodynamique quantique des paires d'électron-positron qui, à leur tour, sont accélérés et rayonnent des photons gamma pouvant produire à nouveau d'autres paires de particules et d'antiparticules.

Une combinaison des images du jet de particules de J2030 en rayons X avec des images prises dans le visible sur Terre avec un des télescopes Gemini. © rayons X : Nasa, CXC, Stanford Univ., M. de Vries - Visible : NSF, Aura, Gemini Consortium
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