jeudi 4 mai 2017

Confirmation de l’origine astrophysique de l’excès de rayons gamma du centre galactique


Les nouveaux résultats du télescope gamma Fermi-LAT sont très clairs : l’excès de rayons gamma au centre de notre galaxie provient d’une grande population de pulsars et non pas de réactions de particules de matière noire. Ils viennent donc refermer une question ouverte il y a une dizaine d’années.




Ces nouveaux résultats à paraître dans The Astrophysical Journal viennent confirmer les forts indices de la présence de nombreux pulsars au centre de notre galaxie qui avaient été publiés en février 2016 par deux études indépenpantes. Cela faisait sept ans qu’un excès de rayons gamma aux énergies de l’ordre du GeV était observé en provenance de la zone centrale du bulbe galactique, avec deux hypothèses majeures pouvant l’expliquer : l’annihilation (ou la désintégration) de particules formant la matière noire, qui devraient justement se trouver en plus grande quantité au centre des galaxies, ou bien la présence de nombreux pulsars non détectables individuellement, dont les champs magnétiques énormes sont à même d’accélérer fortement des électrons et des protons qui produisent des photons gamma par interactions secondaires.

Les astrophysiciens de la collaboration Fermi-LAT ont réussi à identifier une véritable population de pulsars dans la région centrale de notre galaxie. Mattia Di Mauro et ses collègues ont analysé les données du télescope Fermi-LAT (Fermi Large Area Telescope) dans cette région de 40°x40° où les émissions gamma sont complexes : elles peuvent provenir non seulement de sources ponctuelles mais aussi de sources diffuses, lorsque des rayons cosmiques de tous types (des particules chargées) interagissent dans le gaz interstellaire. Les chercheurs trouvent que les sources les plus probables sont bien des pulsars en considérant que 40% des sources ponctuelles sont des pulsars. Pour en arriver à cette conclusion, Di Mauro et son équipe ont exploité les caractéristiques spectrales de l’émission gamma des pulsars, la forme du spectre, en reprenant la totalité des données enregistrées par le télescope depuis sa mise en orbite en 2008. Ils parviennent à reconstruire une population d’environ 400 pulsars expliquant complètement l’émission gamma en excès observée.

Les pulsars isolés ont une durée de vie active typique de l’ordre de 10 millions d’années, beaucoup plus courte que les étoiles les plus vieilles rencontrées près du centre galactique. D’après les chercheurs de la grande collaboration internationale Fermi-LAT, la population détectée doit donc être constituée de pulsars dans des systèmes binaires où ils peuvent accaparer de la matière de leur étoile compagne et retrouver de l’énergie de rotation.
A partir de la population de pulsars clairement identifiée, les astrophysiciens calculent quel devrait être le nombre total de pulsars soit dans le disque galactique seul, soit à la fois dans le disque et le bulbe galactique. Le meilleur ajustement qu’ils obtiennent (avec une signifiance statistique de 7 sigmas) est une répartition entre environ 3500 pulsars dans le disque et 1300 dans le bulbe.
Cette explication apportée à l’excès de rayons gamma du centre galactique fait écho à l’absence de rayons gamma dans les galaxies naines satellites de la Voie Lactée, qui sont sensées abriter de grandes quantités de matière noire et très peu de pulsars.
Le modèle théorique de la matière noire froide, constituée de particules massives supersymétriques pouvant s’annihiler entre elles ou se désintégrer, se trouve désormais à nouveau fortement contraint, pour ne pas dire mis à mal, par les observations. Il reste néanmoins à confirmer ces observations par des mesures indépendantes, par exemple de signaux pulsés en ondes radio sur quelques-unes des sources ponctuelles identifiées. La période de pulsation indiquera en outre très clairement l’origine de cette population d’étoiles à neutron en rotation rapide.


Référence

Characterizing the population of pulsars in the galactic bulge with the FERMI Large Area Telescope
M. Ajello et al. (Fermi LAT Collaboration)
à paraître dans The Astrophysical Journal


Illustrations

1) Visualisation de l'excès de rayons gamma observé dans le centre galactique (NASA; A. Mellinger/Central Michigan University; T. Linden/University of Chicago)

2) Distribution simulée des sources de rayons gamma déduites des observations de Fermi-LAT. La zone représentée fait 40°x40°, les étoiles rouges sont des pulsars dans le bulbe galactique et les cercles noirs sont des pulsars situés dans le disque (NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration)