Vue d'artiste d'une étoile à neutrons de type magnétar. (ESO/L. Calçada) La preuve d'une particule hypothétique longtemps recherchée aurait pu être cachée à la vue (aux rayons X) pendant tout ce temps.
L'émission de rayons X provenant d'une collection d'étoiles à neutrons connue sous le nom de Magnificent Seven est si excessive qu'elle pourrait provenir d'axions, un type de particule prévu depuis longtemps, forgé dans les noyaux denses de ces objets morts, ont démontré les scientifiques.
Si leurs découvertes sont confirmées, cette découverte pourrait aider à percer certains des mystères de l'univers physique - y compris la nature du mystérieux matière noire qui tient tout ensemble.
«La découverte d'axions a été l'un des efforts majeurs de la physique des particules à haute énergie, à la fois en théorie et dans les expériences», dit l'astronome Raymond Co de l'Université du Minnesota.
«Nous pensons que les axions pourraient exister, mais nous ne les avons pas encore découverts. Vous pouvez considérer les axions comme des particules fantômes. Ils peuvent être n'importe où dans l'Univers, mais ils n'interagissent pas fortement avec nous, nous n'avons donc pas encore d'observations à leur sujet.
Les axions sont des particules hypothétiques de masse ultra-faible, théorisées pour la première fois dans les années 1970 pour résoudre la question de savoir pourquoi de fortes forces atomiques suivent quelque chose appelé symétrie charge-parité , alors que la plupart des modèles disent qu'ils n'en ont pas besoin.
Les axions sont prédits par de nombreux modèles dethéorie des cordes– une proposition de solution à la tension entre relativité générale et la mécanique quantique - et les axions d'une masse spécifique sont également uncandidat fort en matière noire. Les scientifiques ont donc de très bonnes raisons de partir à leur recherche.
S'ils existent, on s'attend à ce que des axions soient produits à l'intérieur des étoiles. Ces axions stellaires ne sont pas les mêmes que les axions de la matière noire, mais leur existence impliquerait l'existence d'autres types d'axions.
Une façon de rechercher des axions consiste à rechercher un excès de rayonnement. On s'attend à ce que les axions se désintègrent en paires de photons en présence d'un champ magnétique - donc si plus de rayonnement électromagnétique qu'il ne devrait y en avoir est détecté dans une région où cette désintégration devrait avoir lieu, cela pourrait constituer une preuve d'axions.
Dans ce cas, un excès de rayonnement X dur est exactement ce que les astronomes ont trouvé en regardant les Magnificent Seven.
Ces étoiles à neutrons - les noyaux effondrés d'étoiles massives mortes qui sont mortes dans une supernova - ne sont pas regroupées dans un groupe, mais partagent un certain nombre de traits en commun. Ce sont toutes des étoiles à neutrons isolées d'environ l'âge moyen, quelques centaines de milliers d'années après la mort stellaire.
Ils se refroidissent tous et émettent des rayons X à faible énergie (mous). Ils ont tous des champs magnétiques puissants, des milliards de fois plus puissants que ceux de la Terre,assez puissant pour déclencher la désintégration des axions. Et ils sont tous relativement proches, à moins de 1 500 années-lumière de la Terre.
Cela en fait un excellent laboratoire pour la recherche d'axions, et lorsqu'une équipe de chercheurs - dirigée par l'auteur principal et physicien Benjamin Safdi du Lawrence Berkeley National Laboratory - a étudié les Magnificent Seven avec plusieurs télescopes, ils ont identifié X à haute énergie (dur). -émission de rayons non prévue pour les étoiles à neutrons de ce type.
Dans l'espace, cependant, de nombreux processus peuvent produire des rayonnements, de sorte que l'équipe a dû examiner attentivement d'autres sources potentielles d'émission. Pulsars , par exemple, émettent des rayons X durs ; mais les autres types de rayonnement émis par les pulsars, comme les ondes radio, ne sont pas présents dans les Magnificent Seven.
Une autre possibilité est que des sources non résolues proches des étoiles à neutrons pourraient produire l'émission de rayons X durs. Mais les ensembles de données utilisés par l'équipe, provenant de deux observatoires spatiaux à rayons X différents - XMM-Newton et Chandra - ont indiqué que l'émission provenait des étoiles à neutrons. L'équipe a découvert que le signal n'est pas non plus le résultat d'un empilement d'émissions de rayons X mous.
'Nous sommes assez confiants que cet excès existe, et très confiants qu'il y a quelque chose de nouveau parmi cet excès', Safdi a dit . «Si nous étions sûrs à 100% que ce que nous voyons est une nouvelle particule, ce serait énorme. Ce serait révolutionnaire en physique.
Cela ne veut pas dire que l'excès est une nouvelle particule. Il pourrait s'agir d'un processus astrophysique jusqu'alors inconnu. Ou cela pourrait être quelque chose d'aussi simple qu'un artefact provenant des télescopes ou du traitement de données.
'Nous ne prétendons pas encore avoir fait la découverte de l'axion, mais nous disons que les photons X supplémentaires peuvent être expliqués par les axions', Co a dit . 'C'est une découverte passionnante de l'excès de photons X, et c'est une possibilité passionnante qui est déjà cohérente avec notre interprétation des axions.'
La prochaine étape consistera à essayer de vérifier la découverte. Si l'excès est produit par des axions, alors la majeure partie du rayonnement devrait être émise à des énergies plus élevées que celles que XMM-Newton et Chandra sont capables de détecter. L'équipe espère utiliser un télescope plus récent, le NuSTAR de la NASA, pour observer les Magnificent Seven sur une plus large gamme de longueurs d'onde.
Les étoiles naines blanches magnétisées pourraient être un autre endroit où rechercher l'émission d'axions. Comme les Magnificent Seven, ces objets ont de forts champs magnétiques et ne devraient pas produire d'émission de rayons X durs.
'Cela commence à être assez convaincant que c'est quelque chose au-delà de la Modèle standard si nous voyons un excès de rayons X là aussi, ' Safdi a dit .
La recherche a été publiée dans Lettres d'examen physique .