Les pulsars sont des étoiles à neutrons en rotation. On savait qu'ils pouvaient produire des jets de particules contenant de l'antimatière, mais celui du pulsar PSR J2030 + 4415 est un monstre battant un record. Son existence a des implications sur les détections indirectes de particules de matière noire dans la Voie lactée.
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Toutes les mesures concernant l'Univers observable nous indiquent qu'il est très majoritairement composé de matière et pas d'antimatière. C'est une énigme de la cosmologie car la théorie du Big BangBig Bang basée sur la physique connue implique qu'autant de matière que d'antimatière aurait dû être produite pendant cette période très chaude et très dense du cosmoscosmos connu, alors que pas même des noyaux d'atomesatomes n'existaient encore.
On pourrait imaginer que l'antimatière et la matière se sont réparties comme l'eau et l'huile dans une émulsionémulsion mais l'on aurait alors potentiellement à petite échelle des zones de contact entre ces régions qui conduiraient à des annihilations entre particules de matière et d'antimatière, générant un flux de rayons gammarayons gamma notable. On n'observa rien de tel dans l'Univers connu qui ne semble donc contenir ni galaxiegalaxie ni étoile faites d’antimatière.
Toutefois, on observa bien des anti-électronsélectrons et des anti-protonsprotons dans le flux de rayons cosmiquesrayons cosmiques en dehors de la Terre, comme l'a montré notamment le détecteur AMS (Alpha Magnetic SpectrometerAlpha Magnetic Spectrometer) à bord de l'ISSISS. On sait aussi qu’en rapport avec l’explosion de supernovae, des processus d’accélération de particules se produisent dans la Voie lactée conduisant des particules de matière à entrer en collision, ce qui donne des réactions productrices d'antimatière. On sait également que les pulsarspulsars, ces étoiles à neutronsétoiles à neutrons très denses et en rotation, peuvent produire des particules d'antimatière, surtout des positronspositrons, les antiparticulesantiparticules des électrons. Les éjectats de supernovaesupernovae contiennent aussi des éléments radioactifs qui se désintègrent en donnant des positrons.
Une courte présentation des pulsars. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Nasa Goddard
Des positrons de pulsar ou de matière noire ?
Au final, il doit donc y avoir un tout petit peu d'antimatière, produit par des sources astrophysiquesastrophysiques, qui circule à travers les champs magnétiqueschamps magnétiques turbulents de notre Galaxie à la façon des particules de pollenpollen effectuant un mouvementmouvement brownien stochastiquestochastique. Mais la quantité de positron découvert par AMS et d'autres détecteurs en orbiteorbite est plus élevée que prévu.
Certains y voient une preuve indirecte de l’existence des particules de matière noire postulée par le modèle cosmologique standard. En effet, certaines théories proposées concernant ces particules non seulement leur permettent de s'annihiler en entrant en collision, ce qui produit des antiparticules de matière normale, mais impliquent que ces annihilations sont plus fréquentes au cœur des galaxies, là où de la matière noirematière noire se concentrerait d'après ces théories.
Mais beaucoup d'astrophysiciensastrophysiciens pensent que les mesures de flux de rayons cosmiques anormales concernant l'antimatière peuvent aussi très bien s'expliquer par la présence relativement proche du Système solaireSystème solaire, à l'échelle de la Voie lactéeVoie lactée, d'une population de pulsars encore non détectés.
La découverte aujourd'hui annoncée par un groupe de chercheurs et concernant le pulsar PSR J2030 + 4415 (encore appelé J2030) qui est situé à environ 1.600 années-lumièreannées-lumière du SoleilSoleil en direction de la ConstellationConstellation du Cygne n'est donc pas anodine. Elle est exposée dans un article publié dans The Astrophysical Journal dont une version est en accès libre sur arXiv.
Une présentation de la découverte avec le pulsar J2030. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Chandra X-ray Observatory
Les astrophysiciens ont regardé de plus près les émissionsémissions dans le domaine des rayons Xrayons X du pulsar et ont découvert que le faisceau de particules de matière et d'antimatière, mis en évidence déjà en 2020, était bien plus important et long que prévu selon les observations faites avec le célèbre satellite ChandraChandra de la NasaNasa. Les données collectées en février 2021 montrent que le jet de particules est trois fois plus long qu'on ne le pensait et qu'il dépasse les 60.000 milliards de kilomètres, c'est-à-dire presque 6 années-lumière ! C'est un record et c'est impressionnant quand on réalise que le diamètre d'une étoile à neutrons est de quelques dizaines de kilomètres tout au plus.
Le jet de particules doit contenir une importante quantité d'antimatière sous forme de positrons et le fait qu'il s'étende aussi loin de sa source implique que les pulsars peuvent injecter bien plus de positrons dans le milieu interstellaire qu'on ne le pensait. C'est donc une raison de plus de penser que le flux d'anti-électrons détecté avec AMS n'est en réalité pas anormal et qu'il ne témoigne pas de l'existence des particules de matière noire.
Une production d'antimatière en cascade
Donnons quelques explications sur l'origine de ces jets de particules émis, on le pense, aux pôles magnétiquespôles magnétiques des pulsars.
On sait, en effet, comme prédit par la théorie, que l'effondrementeffondrement gravitationnel d'une étoile en rotation aboutissant à la formation d'une étoile à neutrons en rotation rapide, qui se signale parfois comme un pulsar par ses impulsions radio collimatées, amplifie considérablement le champ magnétique initial de l'étoile.
À la surface de l'étoile à neutrons en rotation rapide dans son propre champ magnétique, la théorie de la relativité implique que ce champ donne aussi un champ électriquechamp électrique puissant pour un observateur au repos à la surface solidesolide de l'étoile. Ce champ arrache des électrons aux atomes de ferfer de sa croûtecroûte et les accélère au point qu'ils émettent des photonsphotons gamma. Ces photons sont suffisamment énergétiques pour produire par divers processus d'électrodynamique quantiqueélectrodynamique quantique des paires d'électron-positron qui, à leur tour, sont accélérés et rayonnent des photons gamma pouvant produire à nouveau d'autres paires de particules et d'antiparticules.
