Il existe au cœur de la Voie lactée un fond gamma diffus dont on ne comprend pas bien l’origine. Il pourrait trahir la présence de particules de matière noire… à moins qu’il ne s’agisse d’une conséquence de la présence d’une population un peu exotique de pulsars millisecondes.

L’astronomie gamma a des racines qui remontent au moins à l’après-guerre, pendant le XXe siècle, lorsque les physiciens Feenberg et Primakoff prédisent que des photons gamma doivent être produits dans le cosmos observable quand des électrons à haute énergie entrent en collision avec des photons à basse énergie suivant l’effet Compton. L’énergie cédée par les électrons aux photons pouvant donc les faire passer du domaine visible à celui des rayons gamma. D’autres chercheurs vont comprendre qu’il doit exister des sources supplémentaires de photons gamma dans l’Univers au cours des décennies qui vont suivre.

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Ainsi, en 1952, le Japonais Satio Hayakawa prédit l’existence d’un halo galactique de rayons gamma produit par les mésons π neutres de son compatriote Hideki Yukawa. Ces mésons très instables sont produits par des collisions entre les hadrons des rayons cosmiques et les noyaux du gaz interstellaire. Mais, c’est souvent à l’année 1958 et grâce à un article de synthèse sur les travaux précédents de ce genre et que l’on doit au physicien et astrophysicien états-unien Philip Morrison (1915-2005) que l’ont fait remonter la prise de conscience qu’il doit exister une astronomie gamma en tant que telle et que la motivation pour la développer va se faire plus forte.

De l’astronomie gamma aux pulsars gamma
Membre du projet Manhattan et à l’origine l’année suivante du programme Seti avec le célèbre article qu’il avait écrit avec Giuseppe Cocconi et portant sur les communications interstellaires possibles avec des ondes radio, Morrison avait notamment prédit une production de rayons gamma lors de collisions entre protons et neutrons aboutissant à la synthèse de noyaux de deutérium, en particulier à l’occasion de certaines éruptions solaires.

Or, bien plus tard, certains physiciens vont se rendre compte que certaines théories concernant les fameuses particules de matière noire impliquent qu’elles peuvent être instables en se désintégrant en photon gamma ou également s’annihiler lors de collisions entre particules et anti-particules de matière noire. Comme ces mêmes modèles de matière noire prédisent aussi que ces particules exotiques pourraient se concentrer dans le centre des galaxies, on s’est demandé si l’on ne pouvait pas détecter des émissions de rayons gamma anormalement élevées, au cœur de la Voie lactée notamment.

L’excitation des chercheurs a donc fait un bond quand un excès de rayons gamma par rapport au reste de notre Galaxie a effectivement été détecté dans son bulbe, en 2009, par le télescope gamma Fermi de la Nasa. Mais, comme il existe plusieurs processus sans matière noire pouvant produire cet excès, aucune conclusion ferme n’avait été obtenue.

Aujourd’hui, une équipe d’astrophysiciens parmi lesquels se trouve Oscar Macias, ancien membre de l’Institut Kavli de physique et mathématiques de l’Univers (Kavli IPMU) à Tokyo, au Japon, vient d’apporter une nouvelle pièce au débat via un article de Nature Astronomy, article que l’on trouve en accès libre sur arXiv.

Des pulsars sans explosions de supernovae
Il y est question des pulsars millisecondes, ces étoiles à neutrons qui tournent très vite sur elles-mêmes comme si elles venaient tout juste de naître par effondrement gravitationnel d’une étoile massive explosant en supernova SN II mais qui ne sont pas entourées d’un reste de supernova, ce qui implique qu’elles devraient être vieilles, le reste en question s’étant depuis longtemps dissipé.

Futura avait déjà parlé de ces pulsars dans le précédent article ci-dessous, en expliquant justement que l’on avait découvert qu’il pouvait aussi s’agir de source gamma.

Rappelons que la vitesse de rotation des pulsars doit diminuer avec le temps et c’est pour cette raison que des pulsars tournant sur eux-mêmes avec des périodes dans le domaine des millisecondes, mais sans restes de supernovae, étaient problématiques lors de leur découverte au début des années 1980.

Toutefois, on pouvait résoudre l’énigme en faisant intervenir des processus de transfert de matière provenant d’une étoile compagne dans un système binaire. Le transfert de matière pouvant s’accompagner également d’un transfert de moment cinétique, de vieux pulsars pouvaient retrouver de cette manière une jeunesse tourbillonnante.

On a des raisons de penser que lorsqu’un pulsar se forme par explosion d’une supernova, quand cette explosion est asymétrique, cela conduit le pulsar – et éventuellement aussi le système binaire qui le contient – à recevoir une poussée comme si des réacteurs de fusée étaient allumés.

Ces astres auraient alors tendance à quitter les galaxies ou les amas globulaires qui les contenaient. Mais selon les chercheurs, des étoiles à neutrons peuvent se former sans une puissante explosion de supernova, simplement avec une naine blanche qui accrète de la matière dans un système binaire et finit par devenir tellement massive qu’elle se transforme en étoile à neutrons. Elle peut échapper aussi au destin qui la ferait exploser en supernova SN Ia, ne laissant rien derrière elle, pas même une étoile à neutrons.

Les calculs montrent aussi que la naine blanche devenue étoile à neutrons en se contractant se voit doter d’un puissant champ magnétique qui va l’aider à en faire une source de rayons gamma.

On constate qu’il y a beaucoup de pulsars millisecondes dans les amas globulaires, ce qui laisse penser qu’il y a des milliards d’années, beaucoup se sont formés sans le scénario avec supernova de sorte que les pulsars millisecondes n’ont pas reçu une poussée importante les faisant quitter le puits gravitationnel peu profond d’un amas globulaire, malgré le fait que la vitesse de libération soit peu élevée.

Comme le bulbe central de la Voie lactée a des propriétés voisines d’un amas globulaire, il pourrait y avoir une population importante de pulsars millisecondes sans supernovae encore non détectés qui se seraient, là aussi, accumulés au cours des milliards d’années.

Dans cette hypothèse, Oscar Macias et ses collègues ont montré que l’on pouvait reproduire le flux diffus gamma du noyau de la Voie lactée. Si tel est bien le cas, la présence de matière noire n’est pas requise. Rappelons toutefois que tous les modèles de matière noire n’impliquent pas qu’ils doivent produire parfois des photons gamma. Le modèle proposé ne réfute donc pas automatiquement l’existence de la matière noire.

Source : https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/matiere-noire-pulsars-millisecondes-solution-enigme-rayonnement-gamma-coeur-voie-lactee-61414/