Carte du ciel du modèle «halo + disque» le mieux adapté à l'émission de lignes de rayons gamma à 511 keV. Crédit d'image: INTEGRAL. Cliquez pour agrandir.
Le positron, la contrepartie antimatière de l'électron, a été prédit par l'équation d'onde quantique de Paul Dirac - à l'époque révolutionnaire - pour l'électron. Quelques années plus tard, en 1932, Carl Anderson découvre le positron dans les rayons cosmiques, et Dirac obtient le prix Nobel en 1933 et Anderson en 1936.
Lorsqu'un positron rencontre un électron, ils s'annihilent, produisant deux rayons gamma. Parfois cependant, l'annihilation est précédée par la formation de positronium, qui est comme un atome d'hydrogène avec le proton remplacé par un positron (le positronium a son propre symbole, Ps). Le positronium se présente sous deux formes, est instable et se désintègre en deux gammas (en environ 0,1 nanosecondes) ou en trois (en environ 100 nanosecondes).
Les astronomes savent depuis les années 1970 qu'il doit y avoir beaucoup de positrons dans l'univers. Pourquoi? Parce que lorsqu'un positron et un électron s'annihilent pour donner deux gammas, ils ont tous deux la même longueur d'onde, environ 0,024 Å, ou 0,0024 nm (les astronomes, comme les physiciens des particules, ne parlent pas des longueurs d'onde des rayons gamma, ils parlent de leur énergie; 511 keV dans ce cas). Donc, si vous regardez le ciel avec une vision aux rayons gamma - par dessus l'atmosphère bien sûr! - vous savez qu'il y avait beaucoup de positrons parce que vous pouvez voir beaucoup de gammas d'une seule `` couleur '', 511 keV (c'est similaire à conclure qu'il y a beaucoup d'hydrogène dans l'univers en remarquant beaucoup de rouge (1,9 eV) H alpha dans le ciel de nuit).
À partir du spectre de la désintégration à trois gamma du positronium, par rapport à l'intensité de la ligne 511 keV, les astronomes ont établi il y a quatre ans qu'environ 93% des positrons dont nous voyons l'annihilation former du positronium avant de se désintégrer.
Combien de positronium? Dans le renflement de la Voie lactée, environ 15 milliards (milliers de millions) de tonnes de positrons sont annihilés chaque seconde. C'est autant de masse que les électrons dans des dizaines de billions de tonnes de choses auxquelles nous sommes habitués, comme des roches ou de l'eau; à peu près autant que dans un astéroïde de taille moyenne, de 40 km de diamètre.
En analysant les données INTEGRAL rendues publiques (valant environ un an), J? Rgen Kn? Dlseder et ses collègues ont constaté que:
- les positons qui sont anéantis dans le disque de la Voie lactée proviennent très probablement de la désintégration bêta + (c'est-à-dire positron) des isotopes Aluminium-26 et Titanium-44, eux-mêmes produits dans les supernovae récentes (rappelez-vous, les astronomes appellent il y a encore 10 millions d'années 'récent')
- cependant, il y a plus de positrons annihilés dans le renflement de la Voie lactée que dans le disque, par un facteur de cinq
- il ne semble pas y avoir de sources «ponctuelles».
Bien sûr, pour un scientifique INTEGRAL, une source "ponctuelle" n'a pas tout à fait la même signification que pour un astronome amateur! La vision des rayons gamma dans la ligne de positronium est incroyablement floue, un objet de six lunes (3?) Ressemblerait à un «point»! Néanmoins, Kn? Dlseder et son équipe de détectives en astrophysique sont en mesure de dire qu '«aucune des sources que nous avons recherchées n'a montré un flux significatif de 511 keV»; ces 40 «suspects habituels» comprennent les pulsars, les quasars, les trous noirs, les restes de supernovae, les régions de formation d'étoiles, les amas de galaxies riches, les galaxies satellites et les blazars. Mais, ils cherchent toujours: «Nous avons en effet [prévu] des observations INTÉGRÉES dédiées des suspects habituels, tels que les supernovae de type Ia (SN1006, Tycho) et LMXB (Cen X-4) qui pourraient aider à résoudre ce problème. . "
D'où viennent donc les 15 milliards de tonnes de positrons annihilés chaque seconde dans le renflement? "Pour moi, la chose la plus importante à propos de l'annihilation des positrons est que la source principale est toujours un mystère", explique Kn? Dlseder. «Nous pouvons expliquer la faible émission du disque par la désintégration de l'aluminium-26, mais la majeure partie des positrons sont situés dans la région bombée de la galaxie, et nous n'avons aucune source qui peut facilement expliquer toutes les caractéristiques d'observation. En particulier, si vous comparez le ciel à 511 keV au ciel observé à d'autres longueurs d'onde, vous reconnaissez que le ciel à 511 keV est unique! Il n'y a pas d'autre ciel qui ressemble à ce que nous observons. »
L'équipe INTEGRAL a le sentiment qu'elle peut exclure les étoiles massives, les collapsars, les pulsars ou les interactions des rayons cosmiques, car si ceux-ci étaient la source des positons de renflement, le disque serait beaucoup plus lumineux sous une lumière de 511 keV.
Les positons de renflement peuvent provenir de binaires à rayons X de faible masse, de novae classiques ou de supernovae de type 1a, par le biais de divers processus. Le défi dans chaque cas est de comprendre comment suffisamment de positrons créés par ceux-ci pourraient survivre assez longtemps par la suite et se diffuser suffisamment loin de leur lieu de naissance.
Et les cordes cosmiques? Alors que le récent article de Tanmay Vachaspati les proposant comme source possible des positons de renflement est sorti trop récemment pour Kn? Dlseder et al. à considérer pour leur article, «Pour moi, il n'est pas évident que nous ayons suffisamment de contraintes d'observation pour affirmer que les cordes cosmiques font le 511 keV; nous ne savons même pas si des cordes cosmiques existent. Il faudrait une caractéristique unique des cordes cosmiques qui exclut toutes les autres sources, et aujourd'hui je pense que nous en sommes loin. »
Peut-être le plus excitant, les positrons peuvent provenir de l'annihilation d'une particule de matière noire de faible masse et de son anti-particule, ou comme Kn? Dlseder et al. pour le dire «annihilation de la matière noire claire (1-100 MeV), comme l'ont suggéré récemment Boehm et al. (2004), est probablement la source candidate la plus exotique mais aussi la plus excitante de positons galactiques. » La matière noire est encore plus exotique que le positronium; la matière noire n'est pas anti-matière, et personne n'a pu la capturer, encore moins l'étudier en laboratoire. Les astronomes reconnaissent qu'il est omniprésent et la recherche de sa nature est l'un des sujets les plus chauds en astrophysique et en physique des particules. Si les milliards de tonnes par seconde de positrons qui sont anéantis dans le renflement de la Voie lactée ne peuvent pas provenir de novae classiques ou de supernovae thermonucléaires, alors peut-être la bonne vieille matière noire est-elle à blâmer.
