lundi 22 mai 2017

Des fusions de naines blanches expliqueraient l'excès de positrons galactiques


Une étude publiée aujourd'hui dans Nature Astronomy fournit une explication convaincante pour expliquer la présence de nombreux positrons en provenance du centre de notre galaxie, un excès mystèrieux très longtemps attribué à Sgr A* ou à d'hypothétiques particules de matière noire.



Cela fait plus de quarante ans qu'un excès de positrons est observé, sous la forme de photons gamma de 511 keV, les photons qui sont produits lorsque des positrons s'annihilent avec leurs antiparticules, des électrons. Les calculs indiquaient que 1043 positrons par seconde devaient s'annihiler dans le centre galactique. Le mystère venait du fait que justement, c'était principalement au niveau du centre galactique qu'ils étaient détectés.
Une des possibilités "classiques" pour produire des positrons est la production de noyaux d'atomes radioactifs émetteurs "béta plus" : ils émettent spontanément des positrons, accompagnés de neutrinos électroniques lors de leur désintégration radioactive. Mais les chercheurs n'ont jamais réussi à trouver un type d'objet astrophysique à même de produire de telles quantités d'isotopes radioactifs émetteurs béta plus. C'est une des raisons qui a poussé les astrophysiciens à penser que l'excès de positrons observé indirectement pouvait provenir d'autres phénomènes moins standards comme des interactions dues au trou noir supermassif de notre galaxie ou bien à des annihilations de particules de matière noire qui auraient produit des paires d'électrons et positrons.
Roland Crocker (Australian National University) et son équipe ont trouvé qu'un type d'objet était capable de produire une quantité suffisante pour expliquer les positrons observés : une supernova produite par la fusion de deux étoiles naines blanches de masses différentes. Et il se trouve que ce type de couple de naines blanches est justement susceptible d'être rencontré bien plus fréquemment au centre de notre galaxie où se trouvent de très nombreuses vieilles étoiles.
Pour en arriver à cette conclusion, Roland Crocker et ses collègues se sont focalisés sur des supernovas trouvées dans d'autres galaxies, dont l'archétype est la supernova SN 1999bg, découverte en 1999. Contrairement aux supernovas "classiques", les supernovas du type de SN 1999bg sont des supernovas très peu lumineuses, et assez rares. Ces supernovas sont si peu lumineuses qu'elles peuvent passer inaperçues même si elles ont lieu dans notre propre galaxie. D'après les modèles, ces supernovas ont lieu lorsque deux naines blanches fusionnent, et plus précisément lorsque qu'il s'agit de deux naines blanches de faible masse : une riche en carbone et oxygène et l'autre riche en hélium. Et la conséquence de leur fusion, qui mène à une explosion thermonucléaire, serait la production d'une grande quantité de Titane-44. C'est ce Titane-44, dont la période radioactive (la demie-vie, durée au bout de laquelle la moitié des noyaux s'est désintégrée) est de 60 années, qui va produire du Scandium-44 qui à son tour va se désintégrer en Calcium-44 avec une période d'environ 4 heures, en émettant des positrons dans sa décroissance radioactive.
Roland Crocker et ses collègues montrent que le nombre de supernovas de type SN1999bg devant peupler le centre galactique est tout à fait suffisant pour expliquer le signal de positrons observé à 511 keV. 
Ces supernovas particulières sont principalement trouvées dans des zones riches en étoiles âgées de 3 à 6 milliards d'années, comme les zones centrales des galaxies. L'émission la plus centrale est par exemple expliquée par les astrophysiciens par la présence d'une population de très vieilles étoiles entourant Sgr A* sur une distance d'environ 650 années-lumière. Mais les auteurs n'excluent pas encore complètement un rôle possible du trou noir supermassif dans la production d'une fraction de ces positrons.

Référence

Diffuse Galactic antimatter from faint thermonuclear supernovae in old stellar populations
Roland M. Crocker, et al.
Nature Astronomy 1, Article number: 0135 (22 mai 2017)

Illustration

Vue d'artiste de la fusion proche de deux naines blanches qui mènera à une supernova de type SN1999bg (ESO, L. Calçada)