Une carte des sources gamma à une certaine énergie dressée avec les observations du satellite Fermi. © Nasa

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Geminga, le pulsar proche de la Terre, nous bombarderait d'antimatière

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Des observations menées pendant une décennie avec le télescope gamma en orbite de la Nasa, Fermi, montrent que le pulsar Geminga est entouré d'un important halo de positrons. Comme il n'est qu'à environ 800 années-lumière du Système solaire, une part importante du flux d'antimatière qui bombarde la Terre pourrait fort bien provenir de ce pulsar gamma.

Lorsque Paul Dirac a découvert en 1928 une généralisation relativiste de l'équation de Schrödinger décrivant un électron, il découvrit également que non seulement elle prédisait le spin et le moment magnétique de cette particule à partir de considérations relevant largement des mathématiques pures, mais aussi l'existence de nouvelles particules d'énergies négatives pour les mêmes raisons. Deux ans plus tard, il trouve une solution aux difficultés impliquées par ces nouvelles particules en posant les bases de la théorie moderne de l’antimatière. Il pense alors que les protons, d'énergie et de charge positive, sont les nouvelles particules de son équation dans certaines situations. Son équation prédisait une masse identique à celle de l'électron mais, répugnant à vraiment postuler l'existence d'une toute nouvelle particule élémentaire jamais encore observée, il pensait que la masse presque 2.000 fois supérieure du noyau de l'hydrogène était due à des interactions encore difficiles à calculer dans le domaine de l'électrodynamique quantique relativiste qu'il explorait alors.

En 1932, le physicien Carl Anderson va finalement découvrir dans les rayons cosmiques un exemple des particules exotiques de Dirac qui se comporte comme un électron, même masse, spin, etc., mais avec une charge positive. Le tableau des particules élémentaires se complique, mais c'est finalement un nouveau triomphe pour Dirac et aussi pour Platon et Pythagore puisque l'existence de ce qui est désormais appelé le positron repose sur des considérations de mathématiques très abstraites, la théorie des matrices et des spineurs, et l'existence de racines carrées négatives pour l'énergie quantique d'une particule d'après la théorie de la relativité restreinte.

Une carte du ciel dans le domaine des rayons gamma obtenue par le satellite Fermi. Plusieurs sources sont indiquées, dont les pulsars du Crabe, Vela et Geminga. Le disque de la Voie lactée est bien visible par la tranche. © Nasa

De l'antimatière produite par la matière noire ?

L'étude des particules d'antimatière dans les rayons cosmiques s'est poursuivie, d'autant plus que parmi les théories quantiques relativistes modernes impliquant l'existence des fameuses particules de matière noire, parfois là aussi sur des bases presque de pures mathématiques en liaison avec la théorie de la relativité (en l'occurrence la supersymétrie et même la supergravité), certaines prédisent que ces particules peuvent s'annihiler avec leurs propres antiparticules en donnant des électrons et des positrons.

Or, dans le cadre du Modèle cosmologique standard avec des particules de matière noire, on pouvait alors s'attendre à observer en orbite autour de la Terre dans le flux de rayons cosmiques primaires un excès de particules d'antimatière, en l'occurrence des positrons, à certaines énergies, trahissant la présence des particules de matière noire dans la Voie lactée, principalement dans son cœur. De fait, un tel excès a bien été observé, notamment par le détecteur AMS 02 à bord de l'ISS.

Malheureusement, comme le pensaient plusieurs chercheurs depuis des années, un article publié dans Physical Review D et disponible en accès libre sur arXiv vient renforcer l'hypothèse que les anomalies observées dans le flux d'antimatière bombardant la Terre seraient en fait dues à des processus astrophysiques ordinaires, principalement les pulsars proches du Système solaire.

Geminga, le pulsar gamma et son halo d'antimatière. 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

Un groupe d'astrophysiciens italiens a en effet analysé les observations menées depuis une décennie en astronomie gamma par le satellite Fermi concernant une source bien connue appelée Geminga, découverte en 1972 avec le Small Astronomy Satellite 2. Elle avait été observée en direction de la constellation des Gémeaux, mais il a fallu attendre les mesures dans le domaine des rayons X, réalisées en 1991 à l'aide du satellite Rosat, pour comprendre que l'on était en présence d'un pulsar gamma situé à seulement 815 années-lumière du Système solaire.

PSR J0633+1746, c'est son nom technique, n'est pas visible dans le domaine radio mais on peut le voir pulser en rayons X (pour la petite histoire Geminga est à la fois un jeu sur l'expression « source de rayons gamma Gemini » et l'expression « il n'y a rien là » dans le dialecte de Milan, en Italie, car se référant à l'incapacité des astronomes de trouver l'objet en radio) et c'est l'un des pulsars gamma les plus brillants dans le ciel.

Un halo de positrons trahi par des photons gamma

Mattia Di Mauro et ses collègues ont découvert que Geminga était en fait entouré d'un halo gamma ovale plus grand qu'on ne l'imaginait d'après de précédentes observations dans le domaine des rayons gamma à des énergies plus élevées, en l'occurrence avec l'instrument High-Altitude Water Cherenkov Gamma-ray Observatory (HAWC). Comme l'avait expliqué Aurélien Barrau sur le blog que Futura a mis à sa disposition, les observations de HAWC n'étaient alors pas favorables à ce qu'il soit une source de positrons importante. Mais en mettant en évidence un halo dont la taille sur la voûte céleste est 40 fois plus grande que celle de la pleine lune sous le regard de Fermi, les conclusions que l'on peut en tirer changent la donne car ses caractéristiques sont celles prédites sur ordinateur avec un large nuage de positrons entrant en collision avec des photons à basses énergies, ce qui leur donne par effet Compton inverse plus d'énergie au point qu'ils deviennent des photons gamma.

Selon les chercheurs, il est alors possible d'expliquer au moins 20 % des positrons du flux anormal mesuré avec AMS 02 par des émissions de ces particules dans le milieu interstellaire par Geminga. Comme il n'est pas possible de retracer exactement l'origine de ces positrons car ils sont déviés chaotiquement par les champs magnétiques de la Voie lactée (techniquement ils doivent donc se déplacer selon les lois d'une marche aléatoire, comme on dit en physique) et qu'il doit exister d'autres pulsars proches du Soleil mais encore non détectés, il est donc difficile de ne pas arriver à la conclusion que le bombardement d'antimatière que subit la Terre avec les positrons observés ne signale probablement pas l'existence indirecte de particules de matière noire.

Une présentation des pulsars et des particules qu'ils produisent, électrons, positrons, photons gamma et radio. 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

Il n'est pas difficile de comprendre l'origine des positrons produits par les pulsars. Pour cela, il faut se souvenir qu'il s'agit de cadavres stellaires, le point final de l'évolution de certaines étoiles qui ont explosé en supernova SN II tout en s'effondrant gravitationnellement et en donnant ce qui est appelé des étoiles à neutrons. Ces étoiles tournent sur elles-mêmes et possèdent un intense champ magnétique dipolaire comme celui de la Terre ou du Soleil. Ce dipôle peut être incliné ou non par rapport à l'axe de rotation de l'astre qui tourne dans son champ magnétique. Un effet relativiste conduit ce champ magnétique à se comporter comme un champ électrique très intense à la surface des étoiles à neutrons. Ce champ arrache et accélère des électrons qui vont se déplacer dans le champ magnétique et produire en cascade des paires électron-positron via des collisions avec les photons du rayonnement également produit par les pulsars.

  • Certains modèles de particules de matière noire la conduisent à produire d'importantes quantités d'antimatière dans la Voie lactée.
  • On observe bien des anomalies dans les flux de particules d'antimatière bombardant la Terre avec des satellites dans l'espace, mais on ne peut pas exclure que ces anomalies n'aient pas une explication en astrophysique classique.
  • De nouvelles analyses concernant un pulsar gamma proche du Système solaire, environ 800 années-lumière, laissent penser qu'au moins 20 % des positrons anormaux découverts dans le flux des rayons cosmiques pourraient venir de ce pulsar appelé Geminga.
  • Il y a probablement d'autres pulsars proches et pas encore détectés qui pourraient expliquer le reste du flux d'antiélectrons anormal.
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