Une nouvelle étude, dirigé par un physicien théoricien du Lawrence Berkeley National Laboratory du département américain de l'Énergie (Berkeley Lab), suggère que des particules jamais observées auparavant appelées axions peuvent être la source de émissions de rayons X de haute énergie entourant un groupe d'étoiles à neutrons.

Théorisé pour la première fois dans les années 1970 dans le cadre d'une solution à un problème fondamental de physique des particules, des axions devraient être produits au cœur des étoiles, et se transformer en particules de lumière, appelés photons, en présence d'un champ magnétique.

Les axions peuvent également constituer de la matière noire, cette substance mystérieuse qui représente environ 85 % de la masse totale de l'univers, pourtant nous n'avons vu jusqu'à présent que ses effets gravitationnels sur la matière ordinaire. Même si l'excès de rayons X s'avère ne pas être des axions ou de la matière noire, il pourrait encore révéler une nouvelle physique.

Une collection d'étoiles à neutrons, connu sous le nom de Magnifique 7, fourni un excellent banc d'essai pour la présence éventuelle d'axions, comme ces étoiles possèdent de puissants champs magnétiques, sont relativement proches - à quelques centaines d'années-lumière - et ne devaient produire que des rayons X de faible énergie et de la lumière ultraviolette.

"Ils sont connus pour être très 'ennuyeux, '" et dans ce cas c'est une bonne chose, dit Benjamin Safdi, un membre divisionnaire du groupe théorique de la division de physique du Berkeley Lab qui a dirigé une étude, publié le 12 janvier dans la revue Lettres d'examen physique , détaillant l'explication axionique de l'excès.

Christophe Dessert, une filiale de Berkeley Lab Physics Division, largement contribué à l'étude, qui a également eu la participation de chercheurs de l'UC Berkeley, l'Université du Michigan, Université de Princeton, et l'Université du Minnesota.

Si les étoiles à neutrons étaient d'un type connu sous le nom de pulsars, ils auraient une surface active émettant un rayonnement à différentes longueurs d'onde. Ce rayonnement apparaîtrait à travers le spectre électromagnétique, Safdi a noté, et pourrait noyer cette signature aux rayons X que les chercheurs avaient trouvée, ou produirait des signaux radiofréquences. Mais les Magnificent 7 ne sont pas des pulsars, et aucun signal radio de ce type n'a été détecté. D'autres explications astrophysiques courantes ne semblent pas non plus à la hauteur des observations, dit Safdi.

Si l'excès de rayons X détecté autour du Magnificent 7 est généré à partir d'un ou plusieurs objets se cachant derrière les étoiles à neutrons, cela aurait probablement figuré dans les ensembles de données que les chercheurs utilisent à partir de deux satellites spatiaux :le XMM-Newton de l'Agence spatiale européenne et les télescopes à rayons X Chandra de la NASA.

Safdi et ses collaborateurs disent qu'il est encore tout à fait possible qu'un nouveau, une explication non axionique apparaît pour expliquer l'excès de rayons X observé, bien qu'ils gardent espoir qu'une telle explication se situe en dehors du modèle standard de la physique des particules, et que de nouvelles expériences au sol et dans l'espace confirmeront l'origine du signal de rayons X à haute énergie.

"Nous sommes assez confiants que cet excès existe, et très confiant qu'il y a quelque chose de nouveau parmi cet excès, " a déclaré Safdi. " Si nous étions sûrs à 100% que ce que nous voyons est une nouvelle particule, ce serait énorme. Ce serait révolutionnaire en physique. » Même s'il s'avère que la découverte n'est pas associée à une nouvelle particule ou matière noire, il a dit, "Cela nous en dirait tellement plus sur notre univers, et il y aurait beaucoup à apprendre."

Raymond Cie, un chercheur postdoctoral de l'Université du Minnesota qui a collaboré à l'étude, mentionné, "Nous ne prétendons pas encore avoir fait la découverte de l'axion, mais nous disons que les photons X supplémentaires peuvent être expliqués par des axions. C'est une découverte passionnante de l'excès dans les photons des rayons X, et c'est une possibilité passionnante qui est déjà cohérente avec notre interprétation des axions."

Si des axions existent, on s'attendrait à ce qu'ils se comportent un peu comme des neutrinos dans une étoile, car les deux auraient des masses très légères et n'interagiraient que très rarement et faiblement avec d'autres matières. Ils pourraient être produits en abondance à l'intérieur des étoiles. Des particules non chargées appelées neutrons se déplacent dans les étoiles à neutrons, interagissant occasionnellement en se dispersant les uns les autres et en libérant un neutrino ou éventuellement un axion. Le processus d'émission de neutrinos est le principal moyen par lequel les étoiles à neutrons se refroidissent au fil du temps.

Comme les neutrinos, les axions seraient capables de voyager en dehors de l'étoile. Le champ magnétique incroyablement puissant entourant les 7 étoiles magnifiques, des milliards de fois plus puissants que les champs magnétiques pouvant être produits sur Terre, pourrait entraîner la conversion des axions sortants en lumière.

Les étoiles à neutrons sont des objets incroyablement exotiques, et Safdi a noté que beaucoup de modélisation, l'analyse des données, et le travail théorique est entré dans la dernière étude. Les chercheurs ont largement utilisé une banque de superordinateurs connue sous le nom de Lawrencium Cluster à Berkeley Lab dans les derniers travaux.

Certains de ces travaux ont été menés à l'Université du Michigan, où Safdi travaillait auparavant. "Sans les travaux de calcul intensif de haute performance au Michigan et à Berkeley, rien de tout cela n'aurait été possible, " il a dit.

"Il y a beaucoup de traitement et d'analyse de données qui ont été nécessaires. Vous devez modéliser l'intérieur d'une étoile à neutrons afin de prédire combien d'axions devraient être produits à l'intérieur de cette étoile."

Safdi a noté que comme prochaine étape de cette recherche, les étoiles naines blanches seraient un endroit privilégié pour rechercher des axions car elles ont également des champs magnétiques très puissants, et devraient être des "environnements sans rayons X".

"Cela commence à être assez convaincant que c'est quelque chose au-delà du modèle standard si nous y voyons un excès de rayons X, trop, " il a dit.

Les chercheurs pourraient également recruter un autre télescope spatial à rayons X, appelé NuStar, pour aider à résoudre le mystère de l'excès de rayons X.

Safdi a déclaré qu'il était également enthousiasmé par les expériences au sol telles que CAST au CERN, qui fonctionne comme un télescope solaire pour détecter les axions convertis en rayons X par un aimant puissant, et ALPS II en Allemagne, qui utiliserait un champ magnétique puissant pour transformer les axions en particules de lumière d'un côté d'une barrière lorsque la lumière laser frappe l'autre côté de la barrière.

Les axions ont reçu plus d'attention car une succession d'expériences n'a pas réussi à révéler des signes de WIMP (particule massive à interaction faible), un autre candidat prometteur pour la matière noire. Et l'image d'axion n'est pas si simple - cela pourrait en fait être un album de famille.

Il pourrait y avoir des centaines de particules de type axion, ou ALPs, qui composent la matière noire, et la théorie des cordes, une théorie candidate pour décrire les forces de l'univers, maintient ouverte l'existence possible de nombreux types d'ALP.