De nouvelles pistes sur l’excès d’antimatière sur Terre
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L’observatoire de rayon gamma HAWC vient de fournir de nouvelles pistes pour expliquer l’origine de l’excès d’anti-matière sur Terre. On avait 2 possibilités qui étaient les pulsars et la matière noire. Les observations montrent que les pulsars sont à exclure pour expliquer l’excès des positrons.
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Un observatoire au Mexique a collecté la première vision à grand angle des rayons gamma émanant de 2 étoiles à rotation rapide. L’observatoire à rayons gamma High-Altitude Water Cherenkov (HAWC) a fourni une nouvelle perspective sur l’émission de lumière à haute énergie provenant de ces étoiles. Cela jette de sérieux doutes sur une hypothèse qui tente d’expliquer l’excès d’antimatière près de la Terre.
En 2008, les astronomes ont observé un nombre étonnamment élevé de positrons, les cousins d’antimatière des électrons, en orbite à quelques centaines de kilomètres au-dessus de l’atmosphère terrestre. Depuis cette époque, les scientifiques ont débattu de la cause de cette anomalie avec 2 hypothèses concurrentes sur son origine. Certains ont suggéré une explication simple. Les particules supplémentaires pourraient provenir de pulsars qui sont des étoiles qui tournent plusieurs fois par seconde en émettant intensément des électrons, des positrons et d’autres matières. D’autres ont spéculé que les positrons supplémentaires pourraient provenir de processus impliquant la matière noire qui est une substance invisible qui compose 80 % de la matière de l’univers qu’on détecte uniquement par son effet gravitationnel.
Sommaire
L’hypothèse des pulsars est à écarter pour expliquer l’excès d’antimatière sur Terre
À l’aide de nouvelles données de l’observatoire HAWC, les chercheurs ont effectué les premières mesures détaillées de 2 pulsars précédemment identifiés comme des sources possibles de l’excès de positrons. En collectant et en comptant les particules de lumière provenant de ces étoiles proches, les chercheurs de la collaboration HAWC ont découvert que les 2 pulsars ne sont probablement pas à l’origine de l’excès de positrons. Même s’ils ont la bonne période d’existence et distance de la Terre, ces pulsars sont entourés d’un nuage obscur qui empêche la plupart des positrons de s’échapper selon les résultats publiés dans la revue Science.1
Cette nouvelle mesure est intéressante parce qu’elle infirme fortement l’idée que ces positrons viennent sur Terre à partir de 2 pulsars proches selon Jordan Goodman, professeur de physique à l’Université du Maryland et analyste principal pour la collaboration HAWC. Notre mesure ne fait pas pencher la balance en faveur de la matière noire, mais toute nouvelle hypothèse qui tente d’expliquer cet excès en utilisant des pulsars devra tenir compte de ce que nous avons trouvé.
Francisco Salesa Greus, auteur principal du nouveau papier et chercheur à l’Institut de physique nucléaire de l’Académie polonaise des sciences à Cracovie en Pologne, a ajouté : Nous sommes proche de comprendre l’origine de l’excès de positrons après avoir exclu l’une des principales hypothèses.
Un oeil dans le ciel
Comme avec un appareil photo ordinaire, la collecte de beaucoup de lumière permet à HAWC de créer des images nettes de sources de rayons gamma individuelles. Les rayons gamma les plus énergétiques proviennent des grandes étoiles comme les restes de pulsars après des supernovas. Mais cette lumière ne vient pas des étoiles proprement dites. À la place, cette lumière est créée lorsque le pulsar en rotation accélère les particules à des énergies extrêmement élevées ce qui les fait s’écraser sur des photons de plus basse énergie provenant de l’univers primitif.
La taille du champ de débris autour de puissants pulsars, mesurée par la parcelle de ciel qui brille dans les rayons gamma, indique la vitesse de déplacement de la matière aux chercheurs par rapport aux étoiles en rotation. Cela permet aux chercheurs d’estimer la rapidité de déplacement des positrons et la quantité de positrons qui ont pu atteindre la Terre à partir d’une source donnée.
À l’aide d’un catalogue récent de HAWC, les scientifiques ont exclu le pulsar Geminga et son frère PSR B0656 + 14 comme des sources possibles de l’excès de positrons. Même si les 2 sont assez vieux et assez proches pour expliquer l’excès, la matière ne s’éloigne pas suffisamment des pulsars pour atteindre la Terre. Les mesures HAWC des rayons gamma démontrent qu’il y a des positrons à haute énergie qui s’échappent de ces sources selon Rubén López-Coto, un scientifique de l’Institut Max Planck de physique nucléaire à Heidelberg en Allemagne. Mais selon notre mesure, ils ne pourraient pas contribuer de manière significative aux positrons supplémentaires observés sur Terre.
Cette mesure n’aurait pas été possible sans la vision à grand angle de HAWC. Elle balaye continuellement environ un tiers du ciel ce qui permet aux chercheurs d’avoir une vue d’ensemble de l’espace autour des pulsars.
La détection des positrons par l’observatoire HAWC
L’observatoire HAWC se trouve à une altitude de 4 114 mètres à côté du volcan Sierra Negra à l’intérieur du parc national Pico de Orizaba dans l’État mexicain de Puebla. Il se compose de plus de 300 réservoirs d’eau massifs qui collectent les cascades de particules provenant de rayons gamma.
Quand ces rayons gamma s’écrasent dans la haute atmosphère, ils font exploser les atomes dans l’air en produisant une pluie de particules qui se déplacent presque à la vitesse de la lumière vers le sol. Quand cette pluie atteint les réservoirs de HAWC, alors elle produit des sortes de flashs bleus dans l’eau ce qui permet aux chercheurs de reconstruire l’énergie et l’origine cosmiques du rayon gamma.
Grâce à son large champ de vision, HAWC fournit des mesures uniques sur les profils de rayons gamma de très haute énergie causés par la diffusion des particules autour des pulsars proches ce qui nous permet de déterminer la vitesse de diffusion des particules plus directement que les mesures précédentes selon Hao Zhou, un scientifique au Laboratoire national de Los Alamos au Nouveau-Mexique et un co-auteur du nouveau papier.
Il est possible qu’une nouvelle perspective de l’astrophysique des pulsars et de leurs environnements locaux puisse expliquer l’excès de positrons sur Terre, mais cela nécessiterait une théorie plus compliquée de la diffusion des positrons. D’un autre côté, la matière noire peut fournir la bonne explication, mais il faudra plus de preuves pour trancher.
