12/10/2014

L'Anomalie des Rayons Gamma des AGN, un Signe de l'Existence des Axions ?

Les noyaux actifs de galaxies (AGN), dont l'activité est engendrée par la présence d'un trou noir supermassif, ont la particularité de produire des jets de matière et de rayonnement. Ce rayonnement qui nous parvient se trouve sous forme de rayons gamma ultra énergétiques. Mais il existe une anomalie concernant ce rayonnement gamma dans la plupart des AGN...




La galaxie active M87 et son jet de particules
(HST/NASA/ESA)
L'intensité des flux de gamma ultra-énergétiques, tels que reconstruite en prenant en compte tout ce qui se passe entre leur émission à plusieurs milliards d'années-lumière d'ici et leur réception (indirecte) dans nos détecteurs à lumière Cherenkov, est beaucoup trop importante par rapport à ce que nos modèles théoriques des galaxies actives prédisent sur leur production.

L'élément le plus impactant produisant une atténuation des rayons gamma très énergétiques sur des très longues distances est ce qu'on appelle la lumière de fond extragalactique (ou EBL en anglais, pour extragalactic background light). Cette lumière de fond n'est autre que toute la lumière des étoiles des très nombreuses galaxies, qui se propage dans toutes les directions et qui baigne ainsi tout l'espace entre les galaxies, le milieu intergalactique. Cette lumière se retrouve à de très diverses longueurs d'ondes, allant de l'infra-rouge lointain à l'ultra-violet dur.
Et il se trouve que les photons gamma très énergétiques en provenance des jets des galaxies actives peuvent interagir avec cette lumière diffuse. Ils interagissent en produisant des annihilations avec les photons de l'EBL, surtout ceux situés dans l'infra-rouge. Plus l'énergie des photons gamma est élevée, plus ils se retrouvent absorbés par la lumière de fond extragalactique. 
Pour évaluer le flux de rayons gamma réellement produits par les AGN, on doit donc prendre en considération cet effet d'absorption par l'EBL dans le calcul. Il existe plusieurs modèles décrivant l'EBL et ses interactions avec les rayons gamma, et tous aujourd'hui tendent à montrer que les flux de rayons gamma en provenance des galaxies actives, une fois corrigés de cette interaction, sont incompatibles avec les processus physiques connus devant régir la production de rayons gamma au niveau des jets des galaxies actives. 

Il y a donc trois possibilités : soit notre compréhension de la production de photons gamma ultra-énergétique dans les AGN est partielle ou erronée, soit nos modèles décrivant la lumière de fond extragalactique sont incomplets, ou bien enfin, il existe un autre phénomène qui agit sur les photons gamma en contrebalançant l'absorption par l'EBL.
Les deux premières possibilités étant pour le moment au stade de l'impasse, des physiciens se penchent aujourd'hui sur la troisième. Il se trouve qu'il existe théoriquement une solution permettant justement de contrebalancer cet effet d'absorption par l'EBL. Cette solution s'appelle les axions

Principe de l'oscillation photons gamma / axion entre un AGN et la Terre
Les axions sont des particules tout à fait hypothétiques aujourd'hui, qui ont été inventées dans les années 1970 pour expliquer certaines anomalies existant au niveau des composants des noyaux d'atomes (les quarks composant protons et neutrons). Et ces toutes petites particules (de très faible masse a priori) ont la capacité de se transformer en photons (et vice-versa) sous l'action d'un champ magnétique.
Si l'axion est bien réel, il se pourrait alors que les rayons gamma ultra-énergétique, au cours de leur voyage intergalactique, en rencontrant des champs magnétiques importants au voisinage des galaxies, subissent une oscillation (transformation) en axion durant un certaine durée, puis oscillent à nouveau en redevenant photon et ainsi de suite jusqu'à nous parvenir sur Terre sous forme de rayons gamma que nous détectons (ou bien d'axions, que nous ne détectons pas encore). Bien évidemment, durant leur trajet intergalactique sous forme d'axions, les photons gamma initiaux ne subissent plus l'atténuation par la lumière de fond diffuse, ce qui produit finalement un flux plus intense que prévu si on ne considérait pas cette oscillation photon-axion.
Paula Chadwick
(Durham University)
Dans un article paru le 9 octobre dans le Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, les physiciens britanniques Jonathan Harris et Paula Chadwick, de l'université de Durham, proposent une telle solution sur la base solide du calcul des oscillations photons gamma-axions au cours du trajet intergalactique mais aussi à l’intérieur même de la source de production des photons gamma, le jet de la galaxie active, là où le champ magnétique est très intense. Ils posent comme hypothèse une masse d'axion de 10^-8 eV et une constante de couplage axion-photon de  10^-11 GeV^-1.

Ils concluent en évaluant quelle serait la probabilité de détecter une signature robuste pour un tel phénomène avec nos instruments actuels ou en projet comme le futur grand détecteur CTA (Cherenkov Telescope Array, voir la vidéo ci-dessous). D'après cette étude, une signature pourrait être observée en peu de temps avec le CTA en scrutant une galaxie active dénommée PKS 2155-304 qui s'avère la meilleure candidate.

L'existence de l'axion va évidemment bien au delà de la simple explication de l'anomalie du flux de rayons gamma des noyaux de galaxies actives. C'est aussi une piste très sérieuse pour l'explication de la masse manquante (ou matière noire), alternative à celle des particules supersymétriques (WIMPs ou neutralinos). Malgré une masse très petite, bien plus faible que celle des neutrinos et a fortiori à celle des WIMPs, leur nombre potentiel pourrait suffire à expliquer une bonne partie de la matière noire. 
Une découverte indirecte de signes du mécanisme d'oscillation entre photon gamma et axion par l'observation des AGN serait fondamentale. Le CTA, quant à lui, pourrait entrer en fonction au cours des vingt prochaines années...

Vues d'artistes du Cherenkov Telescope Array (G. Perez, SMM, IAC)


Source : 
Photon-axion mixing within the jets of active galactic nuclei and prospects for detection
J. Harris and P.M. Chadwick
Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 10 (2014) 018