Un petit pulsar libère un gigantesque faisceau de particules : une piste sur l’origine de l’antimatière

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| NASA/CXC/Stanford Univ./M. de Vries
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L’antimatière, cette sorte « d’opposé » de la matière baryonique (la matière ordinaire qui nous entoure), n’existe qu’en infime quantité dans l’univers. Si l’on sait qu’elle peut être issue de rejets d’objets cosmiques libérant de très grandes quantités d’énergie (comme l’explosion d’une supernova ou le faisceau d’énergie d’un pulsar), elle est le plus souvent séquestrée par les puissants champs magnétiques émanant de ces objets. Une nouvelle observation du télescope spatial Chandra de la NASA a transmis l’image d’un petit pulsar d’à peine 16 km de diamètre projetant un gigantesque faisceau de matière et d’antimatière. Long de 40 000 milliards de kilomètres, il s’agit du plus grand faisceau de pulsar jamais observé depuis la Terre. Cette puissance hors du commun pour un si petit objet cosmique a engendré un phénomène inattendu qui pourrait peut-être expliquer l’origine de l’antimatière dans l’univers.

Les pulsars (ou étoiles à neutrons) naissent le plus souvent de l’effondrement du noyau hautement dense d’une étoile massive, qui explose en supernova à la fin de sa vie. Ils se caractérisent par leur grande vitesse de rotation et l’émission d’un faisceau électromagnétique périodique balayant l’espace (en raison de la rotation rapide de l’étoile sur elle-même).

Baptisé PSR J2030+4415, le pulsar photographié par Chandra a été identifié en 2020, mais comme il se situait au-delà de la limite (à 1600 années-lumière de la Terre) du détecteur que l’observatoire spatial utilisait à l’époque, les scientifiques n’avaient pas encore pu prendre la pleine mesure de son faisceau électromagnétique.

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Grâce à une nouvelle observation dans le rayonnement X, les chercheurs de la NASA et de l’Université de Stanford, ont découvert que ce faisceau était en réalité trois fois plus grand que leur estimation initiale. Même pour un pulsar de ce diamètre, la fréquence de rotation est impressionnante (trois révolutions par seconde). Le rayon électromagnétique s’étend sur 40 000 milliards de km (environ la moitié du diamètre de la lune vu depuis la Terre) ! Pour en avoir une idée plus précise, imaginez une sphère de la taille d’une petite ville tournant plus vite qu’un ventilateur de plafond standard…

« C’est incroyable qu’un pulsar de seulement 10 miles (16 km) de diamètre puisse créer une structure si grande que nous pouvons la voir à des milliers d’années-lumière », s’enthousiasme dans un communiqué Martijn de Vries, chercheur à l’Université de Stanford et auteur principal de l’étude. Pour comparer, « avec la même taille relative, si le filament s’étendait de New York à Los Angeles, le pulsar serait environ 100 fois plus petit que le plus petit objet visible à l’œil nu », explique-t-il dans le communiqué. Les détails de l’étude seront publiés prochainement dans The Astrophysical Journal et sont déjà disponibles sur le serveur arXiv.

Bien que la grande majorité de l’univers soit constituée de matière ordinaire et que l’antimatière primordiale (qui coexistait à masse égale avec la matière primordiale au moment du Big Bang selon nos théories) ait presque totalement disparu, un nombre important de positrons (l’antiparticule de l’électron) continue à être détecté depuis la Terre. Les résultats de cette nouvelle étude peuvent fournir de nouvelles pistes quant à la source possible de l’antimatière présente dans la Voie lactée.

Un nouveau genre de pulsar qui « laisse s’échapper » l’antimatière

Ce qu’il faut savoir, c’est que les faisceaux électromagnétiques émanant des pulsars contiennent de la matière et de l’antimatière. L’antimatière a en effet fondamentalement la même masse que la matière ordinaire, mais avec des charges électriques inversées. Elle est composée d’antiparticules, homologues des particules dans la matière ordinaire. Dans le rayonnement de PSR J2030+4415, les chercheurs ont détecté des positrons, les équivalents chargés positivement des électrons.

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Pour créer de l’antimatière, il faut notamment un champ magnétique élevé ainsi qu’une rotation à grande vitesse, deux conditions extrêmes que les pulsars peuvent générer. Ces paramètres conduisent à une accélération des particules et à un rayonnement de haute énergie. Ce qui peut créer des paires d’électrons et de positrons. Le processus habituel de conversion de la masse en énergie (selon l’équation E = mc² d’Albert Einstein) est ainsi inversé, car l’énergie est convertie en masse.

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Cependant, l’on croyait jusqu’ici que les champs magnétiques des pulsars ne laissaient s’échapper aucun positron. Et pourtant, ce nouveau pulsar aurait apparemment pu en laisser s’échapper dans l’espace. Comme il se déplace à près de 1 600 000 km/h selon les estimations, il crée des vents chargés de particules. Ces particules sont censées généralement être confinées dans les puissants champs magnétiques du pulsar.

De plus, lors de leur déplacement, un choc de proue de gaz se produit généralement devant les pulsars, semblable à l’accumulation d’eau créée par la proue d’un bateau, qui fend l’eau en avançant. Cependant, il y a environ 20 à 30 ans, ce mouvement semble s’être arrêté pour PSR J2030 + 4415, et ce dernier l’a rattrapé. Ceci a entraîné une interaction avec le champ magnétique interstellaire, qui lui, agit presque en ligne droite et de gauche à droite. Ce dernier mécanisme aurait alors pu entraîner une fuite de particules. « Le champ magnétique du vent du pulsar s’est lié au champ magnétique interstellaire, et les électrons et positrons à haute énergie se sont échappés à travers un canal formé par connexion », indique Roger Romani, co-auteur de l’étude et également chercheur à l’Université de Stanford.

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Selon les auteurs de l’étude, le puissant et long faisceau émanant de PSR J2030+4415 démontre que des particules chargées peuvent se disperser dans l’espace, et potentiellement atteindre la Terre, ce qui pourrait peut-être expliquer l’important taux de positrons détectés dans la Voie lactée.

Source : arXiv

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