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Les rayons gamma d’une galaxie naine résolvent une énigme astronomique

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Les rayons gamma d'une galaxie naine résolvent une énigme astronomique

Crédit : Centre de vol spatial Goddard de la NASA

Une tache lumineuse connue sous le nom de “cocon”, qui semble se trouver à l’intérieur de l’une des énormes émanations de rayons gamma du centre de notre galaxie surnommées les “bulles de Fermi”, a intrigué les astronomes depuis sa découverte en 2012.

Dans une nouvelle recherche publiée dans Astronomie naturellenous montrons que le cocon est causé par des rayons gamma émis par des étoiles extrêmes à rotation rapide appelées “pulsars millisecondes” situé dans la galaxie naine du Sagittaire, qui orbite autour de la Voie lactée. Si nos résultats éclaircissent le mystère du cocon, ils jettent également un voile sur les tentatives de recherche de matière noire dans toute lueur gamma qu’il peut émettre.

Voir avec les rayons gamma

Heureusement pour la vie sur Terre, notre atmosphère bloque les rayons gamma. Ce sont des particules de lumière avec des énergies plus d’un million de fois supérieures aux photons que nous détectons avec nos yeux.

Parce que notre vue au niveau du sol est obscurcie, les scientifiques n’avaient aucune idée de la richesse du ciel en rayons gamma jusqu’à ce que les instruments soient projetés dans l’espace. Mais, à commencer par les découvertes fortuites des satellites Vela (mis en orbite dans les années 1960 pour surveiller l’interdiction des essais nucléaires), de plus en plus de cette richesse a été révélée.

L’instrument à rayons gamma de pointe qui fonctionne aujourd’hui est le télescope spatial Fermi Gamma Ray, une grande mission de la NASA en orbite depuis plus d’une décennie. La capacité de Fermi à résoudre les détails fins et à détecter les sources faibles a révélé un certain nombre de surprises sur notre Voie lactée et le cosmos au sens large.

Bulles mystérieuses

Une de ces surprises apparu en 2010, peu après le lancement de Fermi : quelque chose au centre de la Voie lactée souffle ce qui ressemble à une paire de bulles géantes émettant des rayons gamma. Ces “bulles de Fermi” complètement inattendues couvrent 10% du ciel.

Un suspect principal pour la source des bulles est le trou noir supermassif résident de la galaxie. Ce mastodonte, 4 millions de fois plus massif que le soleil, se cache dans le noyau galactique, la région d’où émanent les bulles.

La plupart des galaxies hébergent de tels trous noirs géants en leur centre. Dans certains, ces trous noirs avalent activement de la matière. Ainsi nourris, ils crachent simultanément des “jets” géants et sortants visibles à travers le spectre électromagnétique.

Ainsi, une question que les chercheurs ont posée après la découverte des bulles : pouvons-nous trouver un pistolet irréfutable les liant au trou noir supermassif de notre galaxie ? Bientôt, des preuves provisoires ont émergé : il y avait un indiceà l’intérieur de chaque bulle, d’un fin jet de rayons gamma pointant vers le centre galactique.

Avec le temps et d’autres données, cette image s’est toutefois brouillée. Alors que la caractéristique en forme de jet dans l’une des bulles était confirmée, le jet apparent dans l’autre semblait s’évaporer sous contrôle.

Les bulles semblaient étrangement déséquilibrées : l’une contenait une tache brillante allongée – le “cocon” – sans contrepartie dans l’autre bulle.

Le cocon et d’où il vient

Notre travail récent dans Astronomie naturelle est un examen approfondi de la nature du “cocon”. Remarquablement, nous avons découvert que cette structure n’avait rien à voir avec les bulles de Fermi ou, en fait, avec le trou noir supermassif de la galaxie.

Au contraire, nous avons découvert que le cocon est en fait quelque chose d’entièrement différent : les rayons gamma de la galaxie naine du Sagittaire, qui se trouve derrière la bulle sud vue de la position de la Terre.

La naine du Sagittaire, ainsi appelée parce que sa position dans le ciel se situe dans la constellation du Sagittaire, est une galaxie “satellite” en orbite autour de la Voie Lactée. C’est le vestige d’une galaxie beaucoup plus grande que le puissant champ gravitationnel de la Voie lactée a littéralement déchiré. En effet, les étoiles arrachées à la naine du Sagittaire se retrouvent en « queues » qui s’enroulent tout autour du ciel.

Les rayons gamma d'une galaxie naine résolvent une énigme astronomique

Schéma montrant la Voie lactée, les bulles de Fermi émettrices de rayons gamma (rose) et la galaxie naine du Sagittaire et ses queues (jaune/vert). De la position du soleil, nous voyons le nain Sagittaire à travers la bulle de Fermi sud. Crédit : Aya Tsuboi, Kavli IPMU, auteur fourni

Qu’est-ce qui fait les rayons gamma ?

Dans la Voie lactée, la principale source de rayons gamma est lorsque des particules de haute énergie, appelées rayons cosmiques, entrent en collision avec le gaz très ténu entre les étoiles.

Cependant, ce processus ne peut pas expliquer les rayons gamma émis par le nain Sagittaire. Il y a longtemps, il a perdu son gaz à cause du même harcèlement gravitationnel qui a éloigné tant de ses étoiles.

Alors d’où viennent les rayons gamma ?

Nous avons envisagé plusieurs possibilités, y compris la perspective passionnante qu’ils soient une signature de la matière noire, la substance invisible connue uniquement par ses effets gravitationnels qui, selon les astronomes, constitue une grande partie de l’univers. Malheureusement, la forme du cocon correspond étroitement à la distribution des étoiles visibles, ce qui exclut la matière noire comme origine.

D’une manière ou d’une autre, les étoiles étaient responsables des rayons gamma. Et pourtant : les étoiles du nain Sagittaire sont vieilles et au repos. Quel type de source parmi une telle population produit des rayons gamma ?

Pulsars millisecondes

Nous sommes convaincus qu’il n’y a qu’une seule possibilité : des objets en rotation rapide appelés « pulsars millisecondes ». Ce sont les restes d’étoiles particulières, nettement plus massives que le soleil, qui orbitent également étroitement autour d’une autre étoile.

Dans les bonnes circonstances, de tels systèmes binaires produisent une étoile à neutrons – un objet à peu près aussi lourd que le soleil mais d’environ 20 km de diamètre – qui tourne des centaines de fois par seconde.

En raison de leur rotation rapide et de leur champ magnétique puissant, ces étoiles à neutrons agissent comme des accélérateurs naturels de particules : elles lancent des particules à très haute énergie dans l’espace.

Ces particules émettent alors des rayons gamma. Les pulsars millisecondes du nain Sagittaire étaient la source ultime du cocon mystérieux, nous l’avons découvert.

La chasse à la matière noire

Nos découvertes ont jeté un nouvel éclairage sur les pulsars millisecondes en tant que sources de rayons gamma dans d’autres anciens systèmes stellaires.

Dans le même temps, ils ont également jeté un voile sur les efforts visant à trouver des preuves de la matière noire via des observations d’autres galaxies satellites de la Voie lactée ; malheureusement, il y a un “fond” plus fort de rayons gamma des pulsars millisecondes dans ces systèmes que précédemment réalisé.

Ainsi, tout signal qu’ils produisent pourrait ne pas être interprété sans ambiguïté comme étant dû à la matière noire.

La chasse aux signaux de matière noire continue.


Des étoiles en rotation jettent un nouvel éclairage sur un étrange signal provenant du centre galactique


Plus d’information:
Roland M. Crocker et al, Émission de rayons gamma de la galaxie sphéroïdale naine du Sagittaire due aux pulsars millisecondes, Astronomie naturelle (2022). DOI : 10.1038/s41550-022-01777-x

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La conversation


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Citation: Les rayons gamma d’une galaxie naine résolvent un puzzle astronomique (6 septembre 2022) récupéré le 7 septembre 2022 sur https://phys.org/news/2022-09-gamma-rays-dwarf-galaxy-astronomical.html

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