Les astronomes ont observé un pulsar à proximité avec un étrange halo autour. Ce pulsar pourrait répondre à une question qui intrigue les astronomes depuis un certain temps. Le pulsar est nommé Geminga, et c'est l'un des pulsars les plus proches de la Terre, à environ 800 années-lumière de la constellation des Gémeaux. Non seulement il est proche de la Terre, mais le Geminga est également très brillant dans les rayons gamma.
Le halo lui-même est invisible à nos yeux, évidemment, car il est dans les longueurs d'onde gamma. (Le télescope spatial à rayons gamma Fermi de la NASA l'a découvert.) Mais il est grand, couvrant autant de ciel que 40 lunes complètes.
Le halo pourrait être responsable de certains événements dans notre propre quartier: il y a une abondance d'antimatière près de la Terre, et sa présence a intrigué les scientifiques pendant une décennie.
«Notre analyse suggère que ce même pulsar pourrait être à l'origine d'un puzzle d'une décennie sur la raison pour laquelle un type de particule cosmique est inhabituellement abondant près de la Terre», a déclaré Mattia Di Mauro, astrophysicien à l'Université catholique d'Amérique à Washington et à Goddard Space de la NASA. Flight Centre à Greenbelt, Maryland. "Ce sont des positrons, la version antimatière des électrons, venant de quelque part au-delà du système solaire."
Un pulsar est le reste d'une étoile massive qui est devenue une supernova. Geminga est le résultat d'une explosion de supernova il y a environ 300 000 ans dans la constellation des Gémeaux. C'est une étoile à neutrons en rotation qui est orientée d'une certaine manière vers la Terre, de sorte que son énergie est dirigée vers nous comme un phare à balayage.
Un pulsar est naturellement entouré d'un nuage d'électrons et de positrons. C'est parce qu'une étoile à neutrons a un champ électromagnétique intense, le plus fort de tous les objets connus. Le champ super puissant attire les particules de la surface du pulsar et les accélère à une vitesse proche de la lumière.
Ces particules en mouvement rapide, y compris les électrons et leurs homologues anti-matière, les positrons, sont des rayons cosmiques. Puisque les rayons cosmiques portent une charge électrique, ils sont soumis aux effets des champs magnétiques. Donc, au moment où les rayons cosmiques atteignent la Terre, les astronomes ne peuvent pas localiser leur source.
Au cours de la dernière décennie, différents observatoires et expériences ont détecté plus de positons de haute énergie dans notre voisinage que prévu. Le télescope spatial à rayons gamma Fermi de la NASA, le spectromètre magnétique alpha de la NASA et d'autres expériences les ont tous détectés. Les scientifiques s'attendaient à ce que les pulsars à proximité, y compris Geminga, en soient la source. Mais en raison de la façon dont ces positons sont affectés par les champs magnétiques, cela n'a pas pu être prouvé.
Jusqu'en 2017.
Cette année-là, l'Observatoire des rayons gamma Cherenkov Water High Altitude Water (HAWC) a confirmé ce que certaines détections au sol avaient trouvé: un halo de rayons gamma petit mais intense autour de Geminga. Le HAWC a détecté des énergies dans la structure de halo de 5 - 40 TeV, ou Volts Tera-électron. C'est de la lumière avec des milliards de fois plus d'énergie que nos yeux ne peuvent voir.
Initialement, les scientifiques pensaient que le halo de haute énergie était causé par des électrons et des positons accélérés entrant en collision avec la lumière des étoiles, ce qui augmenterait leur énergie et les rendrait très brillants. Lorsqu'une particule chargée transfère une partie de son énergie à un photon, cela s'appelle la diffusion Inverse-Compton.
Mais l'équipe utilisant HAWC pour observer Geminga et son halo est arrivée à une conclusion: ces positons de haute énergie n'atteindraient que rarement la Terre, en fonction de la taille du halo. Il devait donc y avoir une autre explication de l'abondance de positrons près de la Terre.
Les scientifiques qui étudient la présence de positrons près de la Terre n'ont pas encore rayé les pulsars de leur liste. Et comme un pulsar proche et brillant, Geminga a toujours attiré leur attention.
Mattia Di Mauro a dirigé une petite équipe de scientifiques qui étudie depuis une dizaine d'années les données de Geminga du télescope à grande surface de Fermi (LAT). Le LAT observe une lumière à plus faible énergie que HAWC. Di Mauro est l'auteur principal d'une nouvelle étude présentant ces résultats. L'étude est intitulée «Détection d'un halo de rayons a autour de Geminga avec les données de Fermi-LAT et implications pour le flux de positrons.» L'article est publié dans Physics Review.
Silvia Manconi, chercheuse postdoctorale à la RWTH Aachen University en Allemagne, est l'une des co-auteurs de l'article. Dans un communiqué de presse, Manconi a déclaré: «Pour étudier le halo, nous avons dû soustraire toutes les autres sources de rayons gamma, y compris la lumière diffuse produite par les collisions de rayons cosmiques avec les nuages de gaz interstellaires. Nous avons exploré les données en utilisant 10 modèles différents d'émission interstellaire. »
Une fois que l'équipe a soustrait toutes les autres sources de rayons gamma dans le ciel, les données ont révélé une vaste structure oblongue; un halo autour de Geminga. La structure à haute énergie couvrait 20 degrés dans le ciel à 20 milliards d'électrons volts, et une zone encore plus grande à des énergies inférieures.
Le co-auteur de l'étude, Fiorenza Donato, est de l'Institut national italien de physique nucléaire et de l'Université de Turin. Dans le communiqué de presse, Donato a déclaré: «Les particules de faible énergie se déplacent beaucoup plus loin du pulsar avant de tomber dans la lumière des étoiles, d'y transférer une partie de leur énergie et d'augmenter la lumière vers les rayons gamma. C'est pourquoi l'émission de rayons gamma couvre une plus grande zone à des énergies plus faibles », a expliqué Donato. "De plus, le halo de Geminga est allongé en partie à cause du mouvement du pulsar dans l'espace."
L'équipe a comparé les données LAT avec les données HAWC et a conclu que les ensembles de données correspondaient. Ils ont également découvert que Geminga, brillant et proche, pouvait être responsable de jusqu'à 20% des positrons de haute énergie observés par l'expérience AMS-02. En extrapolant de cela à toutes les émissions cumulatives de pulsars dans la Voie lactée, l'équipe affirme que les pulsars restent la meilleure explication du mystère original: la source de tous ces positrons près de la Terre.
"Notre travail démontre l'importance d'étudier les sources individuelles pour prédire comment elles contribuent aux rayons cosmiques", a déclaré Di Mauro. "C'est un aspect du nouveau domaine passionnant appelé l'astronomie multimessager, où nous étudions l'univers en utilisant plusieurs signaux, comme les rayons cosmiques, en plus de la lumière."
Plus:
- Communiqué de presse: La mission Fermi de la NASA relie le Halo à rayons gamma de Pulsar au puzzle Antimatière
- Document de recherche: Détection d'un halo de rayons a autour de Geminga avec les données de Fermi-LAT et implications pour le flux de positons
- Wikipédia: diffusion de Compton
