mardi 12 février 2019

Andromède : Pulsars Millisecondes et Excès de Rayons Gamma


Le télescope spatial Fermi-LAT, dédié à la détection des rayons gamma, a observé depuis sa mise en service il y a 10 ans un excès d'émission gamma diffuse en provenance du centre de notre Galaxie ainsi que de celui de la galaxie d'Andromède. Ces excès peuvent être attribués selon les spécialistes à deux phénomènes qui sont difficilement distinguables : la présence d'une grande population de pulsars millisecondes, ou bien l'annihilation de particules de matière noire. Une réanalyse des données enregistrées sur Andromède conduit aujourd'hui une équipe d'astrophysiciens à montrer que les pulsars millisecondes ne peuvent pas être seuls responsables de ces photons gamma...




Fermi-LAT ressemble plus à un détecteur de particules qu'à un télescope à proprement parler. Il détecte des photons gamma d'énergie comprise entre 20 MeV et 300 GeV, avec une résolution angulaire assez moyenne, la direction d'arrivée des photons très énergétiques étant toujours délicate à déterminer. Il y a 5 ans, Fermi-LAT (Large Area Telescope) avait notamment mis en évidence l'existence de structures d'émission gamma très étonnantes situées de part et d'autre du plan galactique, reliques d'une activité passée du trou noir central. La découverte de ces "Bulles de Fermi" avaient été accompagnée seulement quelques mois après par la révélation de la présence d'une émission gamma diffuse importante, de symétrie sphérique, visible dans la région la plus centrale de la Voie Lactée et s'étendant jusqu'à 3 kpc du centre (environ 10 000 années-lumière). Cet excès de photons gamma, qui a été bien caractérisé entre 2014 et 2016, a une énergie moyenne de 2 GeV environ. 
Très vite, deux solutions très différentes se sont imposées pour expliquer cet excès de rayonnement gamma grâce aux mesures de sa distribution spatiale et de son spectre en énergie : il pouvait s'agir du signal tant recherché de l'annihilation de particules inconnues (particules formant la matière noire), ou bien de la présence de milliers de pulsars millisecondes, des étoiles à neutrons en rotation rapide qui ont la particularité d'émettre aussi des photons gamma en plus de leur émission radio caractéristique. Ces pulsars vivent en couple avec une autre étoile qui leur a permis de se "recycler" et gagner en vitesse de rotation jusqu'à atteindre une période très courte inférieure à une seconde.


Et depuis 2014, Fermi-LAT a été pointé vers 7 autres galaxies proches dont les deux nuages de Magellan et surtout M31, la galaxie d'Andromède, très semblable à notre galaxie. Et en 2017, le résultat tombe : un excès de rayonnement gamma de haute énergie est aussi détecté au centre de la galaxie d'Andromède, et cette émission gamma est même plus de 10 fois plus importante que celle de notre galaxie ( 2,8×1038 erg.s−1 contre ~1037 erg.s−1) avec une extension spatiale qui atteint 5 kpc (16 000 années-lumière). Or, le spectre en énergie de cette émission gamma montrait des ressemblances avec ce qu'on attendrait d'une population de pulsars, et certains spécialistes avançaient que l'écart observé entre la Voie Lactée et Andromède pouvait être dû au fait qu'Andromède possède beaucoup plus d'amas globulaires (des groupes d'étoiles compacts pouvant comporter plusieurs centaines de milliers d'étoiles), potentiellement "porteurs" de nombreux pulsars...
Il a été montré en outre il y a quelques années que des amas globulaires anciens pouvaient migrer vers le centre de leur galaxie par friction dynamique. Un argument supplémentaire pour les astrophysiciens pour appuyer l'hypothèse de l'existence d'une grande population de pulsars non résolus comme pouvant être la source de l'émission gamma en excès qui était observée dans la régions centrale des galaxies.

C'est pour tester ce scénario des amas globulaires comme sources de pulsars dans le centre galactique que Giacomo Fragione (Université Hébraïque de Jérusalem) et ses collaborateurs ont modélisé les processus de formation, migration et destruction des amas globulaires spécifiquement dans le cas de la galaxie d'Andromède. Leur objectif était d'essayer de reproduire le nombre de pulsars millisecondes émetteurs gamma à même de produire le rayonnement détecté par Fermi-LAT. 
Ce que trouvent les chercheurs, qui publient leur étude dans The Astrophysical Journal Letters, c'est que pour atteindre le nombre de pulsars requis, il faudrait que la galaxie d'Andromède ait un nombre de vieux amas globulaires 8 fois plus important que ce que prédisent les relations d'échelle adoptées pour modéliser la formation des galaxies (qui définissent le nombre d'amas globulaires par rapport à la masse d'une galaxie). En d'autres termes, l'émission gamma que Fragione et ses collaborateurs parviennent à reproduire avec des pulsars issus d'une migration d'amas globulaires dans Andromède est 8 fois plus faible que ce qui est observé par Fermi-LAT (3,5×1037 erg s−1).
Les astrophysiciens en concluent deux possibilités : soit la galaxie d'Andromède est très atypique et ne respecte pas du tout les relations d'échelle classiques, soit une grande partie de l'émission gamma de haute énergie qui est détectée par Fermi-LAT provient d'une autre source que les pulsars... Il faut se souvenir aussi qu'il y a quelques mois, une autre étude était parvenue à reproduire une émission gamma de 7×1037 erg.s−1 en considérant cette fois-ci une production de pulsars millisecondes in situ dans le centre de la galaxie d'Andromède. Prises ensembles, ces deux études ne parviennent donc qu'à expliquer seulement 37% de l'excès de photons gamma en provenance du centre de la galaxie d'Andromède.
La production de pulsars aurait-elle pu être boostée exceptionnellement par exemple par une bouffée de formation d'étoiles binaires non prise en compte par les astrophysiciens dans leurs analyses ? Ou bien est-ce vraiment ailleurs, vers le noir, qu'il faut regarder ?


Source

Millisecond Pulsars and the Gamma-Ray Excess in Andromeda
Giacomo Fragione, Fabio Antonini, and Oleg Gnedin
The Astrophysical Journal Letters, Volume 871, Number 1 (22 January 2019)
https://doi.org/10.3847/2041-8213/aafc62


Illustrations

1) L'émission gamma diffuse détectée par Fermi-LAT au centre de la galaxie d'Andromède (NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration and Bill Schoening, Vanessa Harvey/REU program/NOAO/AURA/NSF)

2) Le télescope spatial Fermi-LAT (NASA Goddard Space Flight Center)

3) Vue D'artiste d'un pulsar milliseconde émetteur gamma (NASA)