Un observatoire au sommet d'une montagne au Mexique, construit et exploité par une équipe internationale de scientifiques, a capturé la première vue grand angle des rayons gamma émanant de deux étoiles en rotation rapide. L'observatoire des rayons gamma à haute altitude de l'eau Cherenkov (HAWC) a fourni une nouvelle perspective sur la lumière à haute énergie provenant de ces voisins stellaires, jetant un sérieux doute sur une explication possible d'un mystérieux excès de particules d'antimatière près de la Terre.

En 2008, les astronomes ont observé un nombre étonnamment élevé de positrons – les cousins ​​antimatière des électrons – en orbite à quelques centaines de kilomètres au-dessus de l'atmosphère terrestre. Depuis, les scientifiques ont débattu de la cause de l'anomalie, divisé sur deux théories concurrentes de son origine. Certains ont suggéré une explication simple :les particules supplémentaires pourraient provenir d'étoiles proches effondrées appelées pulsars, qui tournent plusieurs fois par seconde et rejettent des électrons, positrons et autres matières avec une force violente. D'autres ont émis l'hypothèse que les positrons supplémentaires pourraient provenir de processus impliquant la matière noire, la substance invisible mais omniprésente vue jusqu'à présent uniquement grâce à son attraction gravitationnelle.

Grâce aux nouvelles données de l'observatoire HAWC, les chercheurs ont effectué les premières mesures détaillées de deux pulsars précédemment identifiés comme sources possibles de l'excès de positons. En capturant et en comptant les particules de lumière provenant de ces moteurs stellaires à proximité, Les chercheurs de la collaboration HAWC ont découvert qu'il est peu probable que les deux pulsars soient à l'origine de l'excès de positons. Bien qu'ayant le bon âge et la bonne distance de la Terre, les pulsars sont entourés d'un nuage trouble étendu qui empêche la plupart des positons de s'échapper, selon les résultats publiés le 17 novembre Numéro 2017 de la revue Science .

"Cette nouvelle mesure est alléchante car elle défavorise fortement l'idée que ces positons supplémentaires arrivent sur Terre à partir de deux pulsars proches, au moins lorsque vous supposez un modèle relativement simple de la façon dont les positons se diffusent loin de ces étoiles en rotation, " a déclaré Jordan Goodman, professeur de physique à l'Université du Maryland et chercheur principal et porte-parole américain de la collaboration HAWC. "Notre mesure ne tranche pas la question en faveur de la matière noire, mais toute nouvelle théorie qui tente d'expliquer l'excès à l'aide de pulsars devra tenir compte de ce que nous avons trouvé. »

Francisco Salesa Greus, l'auteur principal correspondant du nouvel article et un scientifique de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences de Cracovie, Pologne, a ajouté que "nous sommes plus près de comprendre l'origine de l'excès de positons après avoir exclu deux des principaux candidats sources".

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 cimetières des grandes étoiles, autour des restes stellaires comme les restes de pulsars en rotation de supernovae. Mais cette lumière ne vient pas des étoiles elles-mêmes. Au lieu, il est créé lorsque le pulsar en rotation accélère les particules à des énergies extrêmement élevées, les amenant à se briser en photons de plus basse énergie laissés par l'univers primitif.

La taille du champ de débris autour de puissants pulsars, mesuré par le morceau de ciel qui brille en rayons gamma, indique aux chercheurs à quelle vitesse la matière se déplace par rapport aux étoiles en rotation. Cela permet aux chercheurs d'estimer à quelle vitesse les positons se déplacent et combien de positons auraient pu atteindre la Terre à partir d'une source donnée.

En utilisant un catalogue HAWC récemment publié du ciel à haute énergie, les scientifiques ont absous le pulsar voisin Geminga et sa sœur, le pulsar PSR B0656+14, en tant que sources de l'excès de positons. Même si les deux sont assez vieux et assez proches pour expliquer l'excès, la matière ne s'éloigne pas assez rapidement des pulsars pour avoir atteint la Terre.

"Les mesures HAWC aux rayons gamma démontrent qu'il y a des positons de haute énergie qui s'échappent de ces sources, " a déclaré Rubén López-Coto, un scientifique à l'Institut Max Planck de physique nucléaire à Heidelberg, Allemagne et un auteur correspondant. "Mais d'après notre mesure, ils ne pourraient pas contribuer de manière significative aux positons supplémentaires observés sur la Terre. »

Cette mesure n'aurait pas été possible sans la vue large de HAWC. Il balaye en continu environ un tiers du ciel au-dessus, qui a fourni aux chercheurs une vue d'ensemble de l'espace autour des pulsars. D'autres observatoires surveillant les rayons gamma de haute énergie avec un champ de vision beaucoup plus étroit ont raté la nature étendue des pulsars.

L'observatoire HAWC se trouve à une altitude de 13, 500 pieds, flanquant le volcan Sierra Negra à l'intérieur du parc national du Pico de Orizaba dans l'État mexicain de Puebla. Il se compose de plus de 300 réservoirs d'eau massifs qui attendent des cascades de particules initiées par des paquets de lumière à haute énergie appelés rayons gamma, dont beaucoup ont plus de 10 millions de fois l'énergie d'une radiographie dentaire.

Lorsque ces rayons gamma se brisent dans la haute atmosphère, ils font exploser des atomes dans l'air, produisant une pluie de particules qui se déplace presque à la vitesse de la lumière vers le sol. Lorsque cette douche atteint les réservoirs de HAWC, il produit des éclairs coordonnés de lumière bleue dans l'eau, permettant aux chercheurs de reconstituer l'énergie et l'origine cosmique du rayon gamma qui a déclenché la cascade.

"Grâce à son large champ de vision, HAWC fournit des mesures uniques sur les profils de rayons gamma à très haute énergie provoqués par la diffusion des particules autour des pulsars proches, ce qui nous permet de déterminer à quelle vitesse les particules diffusent plus directement que les mesures précédentes, " dit Hao Zhou, un scientifique du Laboratoire national de Los Alamos au Nouveau-Mexique et auteur correspondant du nouvel article.

Il est possible qu'une nouvelle idée de l'astrophysique de ces pulsars et de leurs environnements locaux puisse expliquer l'excès de positons sur Terre, mais cela nécessiterait une théorie de la diffusion des positons plus compliquée que ne le pensent probablement les physiciens de la collaboration. D'autre part, la matière noire peut fournir la bonne explication, mais plus de preuves seront finalement nécessaires pour décider.