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PLAN I.Observation 511 keV avec SPI/INTEGRAL Taux dannihilation des positons dans la direction du Centre II. sources potentielles de positons.

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1 PLAN I.Observation 511 keV avec SPI/INTEGRAL Taux dannihilation des positons dans la direction du Centre II. sources potentielles de positons SN Ia Hypernovae dans Galactic Nuclear Bulge, Matière noire Neutralino Matière noire bosonique légère (particule de Fayet) III.Tests de la théorie Galaxie du Sagittaire,Palomar-13 prédiction de la masse et de la section efficace dannihilation CERN (LHC) References Cassé, Cordier, Paul,Schanne, ApJ 602(2004)L17, 2004 Boehm, Hooper, Silk, Cassé et Paul PRL, Mars 2004 INTEGRAL & MATIERE NOIRE LEGERE M.Cassé Service dAstrophysique,CEA Institut dAstrophysique de Paris

2 Jean et al, 2003, A&A, 407 Observation SPI/INTEGRAL Raie à 511 keV provenant de e + e - annihilation vers Centre Galactique Centroide: / keV Iargeur intrinsèque: / keV (FWHM) (resolution instrumentale de 2.16 keV soustraite) raie mince Flux: ( / )×10 -3 ph cm -2 s -1 Observation SPI raie 511 keV Centre Galactique INTEGRAL/SPI

3

4 4 Knödlseder, 1999, Proceedings 'Astronomy with Radioactivities 26 Al map (1809 keV) CGRO/COMPTEL

5 Jean et al, 2003, A&A, 407 Knödlseder et al 2003, A&A, 407 Fit : distribution gaussienne à symétrie sphérique centrée sur C. G. source ponctuelle unique exclue extension (meilleur fit) : 9° FWHM 1.4 kpc FWHM à 8.0 kpc) (degré de confiance du signal: 12 disque galactique non détecté Observation de la raie de 511 keV dans les régions centrales de la galaxie par SPI

6 Fraction de Positronium près du Centre Galactique Annihilation e + dans milieu interstellaire après ralentissement à vitesse thermique annihilation e + e - directe : 2 (511keV) formation de Positronium (para) 1/4 of the Ps (s=0) annihilation via 2 (511keV line) formation of Ps (s=1) 3/4 of the Ps (triplet) annihilation via 3 ( keV) fraction de positronium : f Ps = 2 / ( / 3 ) CGRO/OSSE Kinzer et al, ApJ 559 (2001) raie mince 3 keV f Ps = 0.93 ± 0.04 Majeure partie de lannihilation des positons dans la région centrale de la galaxie procède par positronium interposé donc dans un milieu tiède (~5×10 4 K). Preuve indirecte que ce milieu tiède existe GRO/OSSE data

7 Source de positons dans les régions centrales de la Galaxie Chaque seconde 1.3 ×10 43 positrons sannihilent dans le bulbe de la galaxie Quelle est la souce de ces positons? flux de photons 511 keV observé = ( / )×10 -3 ph cm -2 s -1 Jean et al, 2003, A&A, 407 Distance du centre galactiqueR O = 8.0 ± 0.4 kpc Eisenhauer et al, ApJ 597 (2003) détermination géometrique : orbite de létoile S2, Taux de production des photons 511 keV L ph = 7.7 ×10 42 ph s -1 Fraction annihilation e + via Psf Ps = 0.93 ± 0.04 Taux dannihilation L e+ = L ph (2-3 f Ps / 2) = 1.3 ×10 43 e + s -1

8 Trou noirs aspirants (binaires)/microquasars pas assez de sources, activité trop brève Radioactivité + de la matière fraîchement synthétisée et éjectée Par ordre dimportance 22 NaNovae quantités trop faible 26 AlSN et WR (émission à 1809 keV) insuffisante 44 TiSN: flux plus faible encore 56 NiSN IIM Ni =0.1 M enveloppe épaisse (10Mo) positons libérés ~ 0% SN Ia M Ni = 0.6 M envelope plus mince (1 Mo) positons libérés ? Sources potentielles de e +

9 Paramètres typiques SNIa: M=1.34 Mo masse éjectée E=1.17×10 51 erg énergie cinétique (E=1/2 M v 2 ) M Ni = 0.6 Mo masse de 56 Ni synthétisé SOURCE DENERGIE: 56 Ni 56 Co (t 1/2 =6.1 j) 56 Fe (t 1/2 =77j) + e + Modèle d explosion simple ( symétrie spherique)- - expansion homologue libre : R = v t - noyaux radiaoctifs ( 56 Ni) profondément enfouis - production de positons par - absorption: R = = libre parcours moyen ~ 0.6 g cm -2 - Temps caractéristique de fuite: M E -1/2 t~390 dy compatible avec décrochage de C.L. 3.3% of 56 Co restant Nombre de positons libérés N e+ = 8×10 52 Production de positons par SN I a

10 HYPERNOVA SN2003dh SNIA: OBJETS PUREMENT RADIOACTIFS nourris par désintégr. du 56 Ni formé lors de lexplosion, puis du 56 CO, son fils 56 Ni 56 Co (t 1/2 =6.1 j) 56 Fe (t 1/2 =77j) + e + E =847 keV, = 640 keV (19%), E max =1.4 MeV Au début, envelope dense opaque aux et e +,ensuite fuite progressive Courbe de lumière de SN2003dh décroît plus vite que SNIa Éjection plus rapide (transparence plus précoce) Fuite plus rapide and e + Nombre élevé de positrons libérés Magnitude difference (V-band) Time (days since max) SN2003dh libère plus de positons (~10 54 ) que SNIa (~ ), pour même quantité initiale initiale de 56 Ni. 56 Ni 56 Co (t 1/2 =6.1 j) 56 Fe (t 1/2 =77j) + e + (Br=19%)

11 Comparison spectrale Bulge Galactique avec autres galaxies Age et Metallicité Photométrie stellaire Bulbe: elliptique,type Sa (or Sc) Galaxie: spirale, type Sbc) Estimation du taux de SN I a dans le Bulbe Galactique Bulbe Galactique, Stellaire,vieux (~10 Gyr) M = (2.03±0.26)×10 10 Mo Taux de SN Ia dans le Bulbe Galactique Statistique des SN en fonction de la masse × = 0.05/siècle Accord avec modèles théoriques: Nomoto: 0.07/siècle Matteucci: 0.03/ siècle à raison de e + /SNIa Il en faudrait 0.5/siècle Les positons ne proviennent pas des SNIa e »

12 Même calcul,maintenant par cone Libre Parcours Moyen des positrons ~ 0.6 g cm -2 Temps de fuite scaling M E -1/2 fuite à t ~ 107 j 42% of 56 Co reste pour donner des positrons positrons «échappent (sans mélange) virtuallement tous les positrons échappent car fort mélange convectif SN2003dh pourrait produire 25 fois plus de positons quune SNIa Taux dannihilation observé par SPI expliqué par des de Hypernovae du type SN2003dh, si taux doccurrence ~ 0.02/siècle Problématique: Taux dHypernove dans région centrale inconnu Woosley & Heger, astro-ph Production de Positron par SN2003dh étoile W-R 10 Mo, vestige de 2 Mo, 8 Mo éjectées Paramètres of SN2003dh ( Woosley & Heger) M Ni = 0.5 Mo masse de 56 Ni synthesisé ~45° demi -angle douverture M=1.2 Mo masse éjectée par cone E=1.25×10 52 erg énergie cinétique par cone C+O 56 Ni ejecta C.L. de SN2003dh (type très rare) Reproduite par modèle à 2 composantes : Éjections Polaire rapide + Equatoriale lente

13 MATIERE NOIRE INVENTAIRE (% de la masse de lU.) Matière atomique: 4 Matière noire non baryonique: 26 Energie noire (pression répulsive): 70

14 hypothese : ANNIHILATION DE MATIERE NOIRE NATURE ? NEUTRALINOS (candidat favori) EMISSION (551keV): DOUBLE ANNIHILATION e + e - or = a ~ + b Z~ + c H~o,1 + d H~o,2 photino Zino higgsinos PARTICULES DE MAJORANA (particle = antiparticle) produits finaux dannihilation, (e +,e - ), (, anti- ), (p,anti-p) Positons produit par plusieurs canaux dannihilation W ZZ tt + - Canal principal: q-antiq (b,anti-b) ° e e - ~~~~

15 Energie ~ E e+ ergs -1 si E e+ ~ 1 GeV L bol > erg s -1 >> L bol (non thermique) Radio-synchrotron + Bremmstrahlung Pas observé Branchement (e+ e-)/ ~ 1 énorme flux de HE Pas observé NEUTRALINO m = 500GeV – 10TeV e + injectés à haute Energie Les Positons ne proviennent pas de lannihilation des neutralinos Hooper et al., 2004

16 MATIERE NOIRE BOSONIQUE LEGERE

17 Masse et constante de couplage g ajustées: - non observation au LEP densité relique (Big-Bang) dm h 2 ~0.1 WMAP ~ 1 pb keV Flux ~ pb >> gel halo v = a + bv 2 a = 0 Matière noire légère

18 Annihilation de matière noire Double annihilation e + e - 2 ou 3 Ee + ~ 5-10 MeV Annihilation sur place =1/4 d -2 n 2 ds Intégrale sur la ligne de visée de la densité de la m.n. au carré L~ 2 R ~M 2 R -5 D 2 INTEGRAL = =1.5 =1

19 Mesure emission 511 kev dune galaxie naine proche Sagittarius (Cordier et al.2004) Grande quantité de matière noire Pas de SN ni HN Pb : densité de gas ( temps d annihilation) t ann > t gal ? Destruction par effet de marée TESTS

20 Palomar 13 Amas globulaire anormal Coté et al 2002, ApJ 574,783 (l,b) = 87.1°, -42.7°) Disp.v. étoiles elevée Amas en voie de dissolution ? Globule de matière noire ? L= Lo; M/L ~ 40 Mo/Lo M ~ 10 5 Mo; Rmarée ~ 23 pc; D = 24.3 kpc Norm: M(1kpc) ph cm -2 s -1, D =8kpc ~M 2 R -5 D -2 M/Mo (cm -2 s -1 Moore BS NFW PS Annihilation totale

21 CERN (LHC) + ASTRONOMIE GAMMA = REVELATION DE LA MATIERE NOIRE ? INTEGRAL PREMIER INDICE DUN DES PLUS GRANDS MYSTERES DE LA NATURE?


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