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    La mission Fermi relie le halo de rayons gamma des pulsars à proximité au puzzle de l'antimatière

    Ce modèle du halo de rayons gamma de Geminga montre comment l'émission change à différentes énergies, résultat de deux effets. Le premier est le mouvement rapide du pulsar dans l'espace au cours de la décennie que le télescope à grande surface de Fermi l'a observé. Seconde, les particules de plus faible énergie voyagent beaucoup plus loin du pulsar avant d'interagir avec la lumière des étoiles et de l'augmenter jusqu'aux énergies des rayons gamma. C'est pourquoi l'émission de rayons gamma couvre une plus grande surface à des énergies plus faibles. Un GeV représente 1 milliard d'électrons-volts, soit des milliards de fois l'énergie de la lumière visible. Crédit :Goddard Space Flight Center de la NASA/M. Di Mauro

    Le télescope spatial Fermi Gamma de la NASA a découvert une lueur faible mais tentaculaire de lumière à haute énergie autour d'un pulsar à proximité. Si visible à l'œil humain, ce "halo" de rayons gamma apparaîtrait environ 40 fois plus gros dans le ciel qu'une pleine Lune. Cette structure peut fournir la solution à un mystère de longue date sur la quantité d'antimatière dans notre voisinage.

    "Notre analyse suggère que ce même pulsar pourrait être responsable d'une énigme de dix ans sur les raisons pour lesquelles un type de particule cosmique est exceptionnellement abondant près de la Terre, " a déclaré Mattia Di Mauro, astrophysicien à la Catholic University of America à Washington et au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland. "Ce sont des positrons, la version antimatière des électrons, venant de quelque part au-delà du système solaire."

    Un article détaillant les résultats a été publié dans la revue Examen physique D le 17 décembre et est disponible en ligne.

    Une étoile à neutrons est le noyau écrasé laissé pour compte lorsqu'une étoile beaucoup plus massive que le Soleil manque de carburant, s'effondre sous son propre poids et explose en supernova. Nous voyons des étoiles à neutrons comme des pulsars, objets en rotation rapide émettant des faisceaux de lumière qui, un peu comme un phare, balayent régulièrement notre champ de vision.

    Geminga (prononcé geh-MING-ga), découvert en 1972 par le petit satellite d'astronomie 2 de la NASA, est parmi les pulsars les plus brillants dans les rayons gamma. Il est situé à environ 800 années-lumière dans la constellation des Gémeaux. Le nom de Geminga est à la fois un jeu sur l'expression "source de rayons gamma Gemini" et l'expression "ce n'est pas là" - faisant référence à l'incapacité des astronomes à trouver l'objet à d'autres énergies - dans le dialecte de Milan, Italie.

    Geminga a finalement été identifié en mars 1991, lorsque des rayons X vacillants captés par la mission allemande ROSAT ont révélé que la source était un pulsar tournant 4,2 fois par seconde.

    Un pulsar s'entoure naturellement d'un nuage d'électrons et de positons. C'est parce que le champ magnétique intense de l'étoile à neutrons tire les particules de la surface du pulsar et les accélère à presque la vitesse de la lumière.

    Les électrons et les positons font partie des particules rapides connues sous le nom de rayons cosmiques, qui proviennent d'au-delà du système solaire. Parce que les particules de rayons cosmiques portent une charge électrique, leurs chemins se brouillent lorsqu'ils rencontrent des champs magnétiques lors de leur voyage vers la Terre. Cela signifie que les astronomes ne peuvent pas les suivre directement jusqu'à leurs sources.

    Au cours de la dernière décennie, mesures des rayons cosmiques par Fermi, Le spectromètre magnétique Alpha de la NASA (AMS-02) à bord de la Station spatiale internationale, et d'autres expériences spatiales près de la Terre ont vu plus de positons à haute énergie que les scientifiques ne l'avaient prévu. Les pulsars proches comme Geminga étaient les principaux suspects.

    Puis, en 2017, scientifiques de l'Observatoire de rayons gamma Cherenkov à haute altitude (HAWC) près de Puebla, Mexique, ont confirmé les détections au sol antérieures d'un petit halo de rayons gamma autour de Geminga. Ils ont observé cette structure à des énergies de 5 à 40 billions d'électrons-volts, une lumière avec des billions de fois plus d'énergie que ce que nos yeux peuvent voir.

    Les scientifiques pensent que cette émission se produit lorsque des électrons et des positrons accélérés entrent en collision avec la lumière des étoiles à proximité. La collision augmente la lumière jusqu'à des énergies beaucoup plus élevées. En fonction de la taille du halo, l'équipe HAWC a conclu que les positrons de Geminga à ces énergies n'atteignent que rarement la Terre. Si vrai, cela signifierait que l'excès de positons observé doit avoir une explication plus exotique.

    Mais l'intérêt pour une origine pulsar a continué, et Geminga était à l'avant-scène. Di Mauro a dirigé une analyse d'une décennie de données de rayons gamma de Geminga acquises par le télescope à grande surface (LAT) de Fermi, qui observe une lumière à plus faible énergie que HAWC.

    Les particules voyageant près de la vitesse de la lumière peuvent interagir avec la lumière des étoiles et l'augmenter jusqu'aux énergies des rayons gamma. Cette animation montre le processus, connue sous le nom de diffusion Compton inverse. Lorsque la lumière allant des micro-ondes aux longueurs d'onde ultraviolettes entre en collision avec une particule en mouvement rapide, l'interaction le booste aux rayons gamma, la forme de lumière la plus énergétique. Crédit :Goddard Space Flight Center de la NASA

    "Pour étudier le halo, nous avons dû soustraire toutes les autres sources de rayons gamma, y compris la lumière diffuse produite par les collisions de rayons cosmiques avec des nuages ​​de gaz interstellaires, " a déclaré la co-auteur Silvia Manconi, chercheur postdoctoral à l'Université RWTH d'Aix-la-Chapelle en Allemagne. "Nous avons exploré les données en utilisant 10 modèles différents d'émission interstellaire."

    Ce qui restait lorsque ces sources ont été supprimées était un vaste, lueur oblongue s'étendant sur environ 20 degrés dans le ciel à une énergie de 10 milliards d'électrons-volts (GeV). C'est similaire à la taille du célèbre motif d'étoiles de la Grande Ourse - et le halo est encore plus grand à des énergies plus basses.

    "Les particules de plus faible énergie voyagent beaucoup plus loin du pulsar avant de se heurter à la lumière des étoiles, y transférer une partie de leur énergie, et booster la lumière aux rayons gamma. C'est pourquoi l'émission de rayons gamma couvre une plus grande surface à des énergies plus faibles , ", a expliqué la co-auteure Fiorenza Donato de l'Institut national italien de physique nucléaire et de l'Université de Turin. "En outre, Le halo de Geminga est allongé en partie à cause du mouvement du pulsar dans l'espace."

    L'équipe a déterminé que les données Fermi LAT étaient compatibles avec les observations HAWC antérieures. Geminga à elle seule pourrait être responsable de jusqu'à 20 % des positons de haute énergie observés par l'expérience AMS-02. En extrapolant cela à l'émission cumulée de tous les pulsars de notre galaxie, les scientifiques disent qu'il est clair que les pulsars restent la meilleure explication de l'excès de positons.

    "Notre travail démontre l'importance d'étudier les sources individuelles pour prédire comment elles contribuent aux rayons cosmiques, " a déclaré Di Mauro. " C'est un aspect du nouveau domaine passionnant appelé astronomie multimessager, où nous étudions l'univers en utilisant plusieurs signaux, comme les rayons cosmiques, en plus de la lumière."


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