La présence inexpliquée de rayons X provenant d’étoiles à neutrons laisse entrevoir la présence de particules "fantômes"

Des astronomes ont détecté un étrange signal provenant d’un groupe d’étoiles à neutrons et qui pourrait être l’empreinte d’une particule élémentaire depuis longtemps recherchée, et peut-être même de la matière noire. Un excès inexpliqué de rayons X suggère des axions, d’hypothétiques particules « fantômes » qui pourraient résoudre plusieurs vieilles énigmes de la physique.

Image d’entête : représentation artistique d’une étoile à neutrons hautement magnétique. (ICRAR/ Université d’Amsterdam)

Lorsque les étoiles massives deviennent des supernovæ, elles peuvent laisser derrière elles des étoiles à neutrons, c’est-à-dire des noyaux extrêmement denses dotés de puissants champs magnétiques. Un groupe d’étoiles à neutrons surnommées les « Les Sept Mercenaires«  devait produire de la lumière ultraviolette et des rayons X de faible énergie, mais il y a quelques années, des astronomes ont découvert qu’elles émettaient également, d’une manière ou d’une autre, des rayons X de haute énergie, ce qui ne peut être expliqué par les modèles actuels.

Dans cette nouvelle étude, les chercheurs ont proposé une étrange explication : les signaux pourraient être provoqués par des axions. Ces particules hypothétiques ont été proposées pour la première fois en 1977 pour résoudre une énigme cosmologique appelée le problème de CP fort, qui (pour l’expliquer très simplement) cherche à savoir pourquoi les neutrons n’interagissent pas avec les champs électriques. Plus tard, les axions sont apparus comme un candidat prometteur pour la matière noire, cette substance mystérieuse que l’on croit supérieure en nombre aux particules de matière ordinaire dans un rapport de 5 pour 1.

S’ils existent, les axions auraient de très petites masses et interagiraient rarement avec la matière ordinaire, traversant les personnes et les planètes sans entrave, d’où le surnom de « particule fantôme ». Toutefois, elles pourraient faire connaître leur présence en interagissant avec des champs électromagnétiques, comme ceux qui entourent les étoiles à neutrons.

Les chercheurs proposent que des axions soient créés en grand nombre au cœur de ces étoiles à neutrons et qu’ils se dirigent vers l’extérieur, où le champ magnétique les convertirait en photons. Comme les axions transportent de grandes quantités d’énergie, leurs photons en feraient autant, ce qui pourrait produire les rayons X très énergétiques observés autour de ces étoiles.

Selon Raymond Co, un des auteurs de l’étude :

Nous ne prétendons pas encore avoir fait la découverte de l’axion, mais nous disons que le surplus de photons des rayons X peut être expliqué par les axions. C’est une découverte passionnante de l’excès de photons des rayons X, et c’est une possibilité passionnante qui correspond déjà à notre interprétation des axions.

Il est intéressant de noter que les astronomes se sont déjà lancés dans cette analyse des axions et ils ont essayé en vain de trouver les particules en recherchant des signaux radio autour d’étoiles à neutrons ou des anomalies de rayons X dans les amas de galaxies. C’est pourquoi cette nouvelle détection d’un signal aussi étrange, qui correspond à des axions, est incroyablement intrigante. Mieux encore, il se peut qu’ils aient déjà été détectés lors d’expériences en laboratoire.

Si les axions existent, ce sont de petites particules très pratiques. Non seulement elles pourraient résoudre le problème de CP fort et de la matière noire, mais elles renforcent les arguments en faveur de la théorie des cordes et pourraient aider à expliquer pourquoi l’univers contient tellement plus de matière que d’antimatière.

Même si les excès de rayons X ne sont pas causés par des axions, l’équipe affirme qu’ils pourraient encore soulever des questions dépassant le cadre du modèle standard, laissant entrevoir une toute nouvelle physique. Pour le savoir, les prochaines étapes consisteraient à étudier les étoiles naines blanches, qui devraient être des environnements sans rayons X.

Selon Benjamin Safdi, auteur principal de l’étude :

Il est assez évident que cela dépasse le modèle standard si l’on y observe un excès de rayons X.

L’étude publiée dans Physical Review Letters : Axion Emission Can Explain a New Hard X-Ray Excess from Nearby Isolated Neutron Stars et présentée sur le site de Université du Minnesota : Excess x-rays from neutron stars could lead to discovery of new particle et sur le site du Berkeley Lab : Study: X-Rays Surrounding ‘Magnificent 7’ May Be Traces of Sought-After Particle.