vendredi 17 novembre 2017

L'excès de positrons ne provient pas des pulsars proches


Grâce à une mesure inédite de la région d'émission gamma entourant deux pulsars proches avec le détecteur HAWC, une grande collaboration internationale arrive à déterminer que les positrons détectés en excès sur Terre ne viennent pas de ces pulsars mais auraient une toute autre origine...




Le détecteur HAWC (High-Altitude Water Cherenkov Gamma-Ray Observatory), comme son nom l'indique, est un réseau de plus de 300 cuves instrumentées qui détectent des gerbes de particules par l'effet Cherenkov qu'elles y produisent. Ces particules chargées sont elles-mêmes produites dans la haute atmosphère par des photons gamma très énergétiques (de l'ordre du téra-électronvolt). HAWC est installé au Mexique,  sur le flanc du volcan de Sierra Negra dans le parc national mexicain de Pico de Orizaba (Puebla). Il est exploité par une très grande collaboration internationale réunissant américains et européens.
Depuis 2008, les détecteurs orbitaux PAMELA puis AMS-02 ont détectés un nombre de positrons (ou anti-électrons) beaucoup plus important que ce à quoi on pouvait s'attendre. Les interprétations ont fusé, notamment une impliquant la matière noire qui pourrait produire des positrons en se désintégrant ou en s'annihilant. Mais une autre hypothèse plus classique était apparue, celle de la production de ces particules d'antimatière par des pulsars proches. 
Pour apporter une touche observationnelle à ces hypothèses, les astroparticulistes de la collaboration HAWC se sont donc focalisés sur les émissions gamma de deux pulsars proches qui avaient été identifiés comme des sources probables de positrons : Geminga (à 815 années-lumière) et PSR B0656+14 (939 a.l). L'émission gamma de la zone entourant un pulsar est en effet intimement associée à son émission d'électrons et de positrons énergétiques. 
La région d'émission gamma qui peut être reconstruite par HAWC montre que les deux pulsars sont entourés d'un nuage assez dense pour empêcher les positrons de s'en échapper en grand nombre. Les chercheurs publient leur résultat aujourd'hui dans la revue Science. Les photons gamma de plusieurs TeV sont produits par la diffusion des électrons et des positrons dans le milieu entourant les pulsars lorsqu'ils sont fortement accélérés par les champs magnétiques et la rotation ultra-rapide des étoiles à neutrons au coeur de ces pulsars. La distribution spatiale de cette émission gamma permet aux physiciens des astroparticules de déterminer comment et à quelle vitesse les électrons et positrons sont diffusés.


A partir de cette donnée, les chercheurs peuvent estimer quel est le flux de positrons qui devrait atteindre la Terre. Alors que Geminga et PSR B0656+14 sont des pulsars ayant théoriquement le bon âge et la bonne distance pour être la source de l'excès de positrons observé, HAWC montre que les positrons ne sortent pas assez vite de l'enveloppe de ces pulsars pour atteindre la Terre. 

Le mystère de l'excès de positrons détecté en orbite par AMS-02 et PAMELA s'épaissit donc à nouveau. Il est tentant de revenir à l'hypothèse de la matière noire comme source, mais les chercheurs de HAWC restent prudents dans leur conclusion. Selon eux, l'excès de positrons de plus de 10 GeV ne peut pas avoir pour origine CES pulsars, mais outre le fait qu'ils étaient de très bons candidats, il pourrait peut-être exister d'autres pulsars proches qui n'auraient pas encore été détectés. L'excès de positrons pourrait également être produit par d'autres processus : d'autres voies de production de particules secondaires, d'autres types d'accélérateurs cosmiques comme des microquasars, ou bien... l'annihilation ou la désintégration de particules de matière noire...

Source

Extended gamma-ray sources around pulsars constrain the origin of the positron flux at Earth
A. U. Abeysekara et al.
Science Vol. 358, Issue 6365, pp. 911-914 (17 Nov 2017 )


Illustrations

1) Cartographie de l'émission gamma de Geminga et PSR B0656+14 (HAWC Collaboration)
2) L'installation de HAWC (Jordan Goodman/HAWC)