L’antimatière dans notre Galaxie dévoilé par INTEGRAL Jürgen Knödlseder CESR (Toulouse)

Un drôle de monde À la recherche de l’origine du spin de l’électron, Dirac trouve une dualité étrange de la nature ... ... et Anderson observe pour la première fois une antiparticule (sans le savoir) Dirac (1928) - equation de Dirac (1928): predicts spin and a new particle - à quoi correspond la solution? (Dirac 1930, Dirac 1931: anti-electron - découverte d’Anderson (1932) - confirmation et interpretation (Blackett & Occhialini 1933) - première observation de la raie 511 keV (Klemperer 1934) - deux prix Nobel: Dirac en 1933, Anderson en 193? Anderson (1933)

Où est l’antimatière ? ou: pourquoi existons nous ? Dirac (1933), Nobel lecture - Dans sans discours Nobel, Dirac évoque la possibilité d’antimondes - Problème: annihilation à l’interface mondes/antimondes => séparation au moins quelques 10 Mpc - Baryonic charge density: n_B - n_\bar{B}; Cosmic microwave radiation density: n_\gamma - Sakharov resume en 1967 les 3 conditions nécessaires pour créer une asymmetrie matière/antimatière - Seule la première condition est observationellement affirmé, cependant elle n’est pas vérifié pour les témparatures qui regnaient lors du Big Bang. Pour les autres conditions il y a des prédictions, mais rien est sur. Les conditions de la baryogenèse: Difference entre les interactions des particules et des antiparticules (violation CP observée dans mésons K et B) Non-conservation de la charge baryonique B Deséquilibre thermique dans l’Universe jeune Sakharov (1967)

L’antimatière est en nous ! PET ou TEP (Tomographie par émission de positrons): Imagerie de la raie d’annihilation à 511 keV, produite par radioisotopes (e.x. 18F, 11C, 13N, 15O) Transitions vers les sources de l’antimatière - image PET d’un corps humain montre l’annihilation de l’antimatière - antimatière produit par radioactivité beta

Radioactivités cosmiques 26Al (t ~ 106 ans) 44Ti (t ~ 87 ans) Knödlseder (1997) Collmar (priv. comm.) 3 masses solaires 26Al par Myr  3 x 1042 e+ s-1 10-4 masses solaires 44Ti par 100 ans  1042 e+ s-1 Example 1: 26Al 82% of the 26Al decays produce one positron typical 3 Msol per Myr, measured by several instruments results in average annihilation rate of 3 x 10^42 e+ s-1 in the Galaxy Example 2: 44Ti (less well constrained, only one event!) 98.95 % of the 44Sc decays produce one positron typical 1 SN each 100 yr, expelling 10-4 Msol of 44Ti results in an average annihilation rate of 10^42 e+ s-1 in the Galaxy Sources (potentiels) de radioactivités cosmiques (galactiques): Supernovae (de tout type), Hypernovae (sursauts gamma) Etoiles massives, géantes rouges Novae Sursauts solaires

Accélérateurs cosmiques taux de production p0 et p+ ≈ 1042 s-1  1042 e+ s-1 Sources (potentiels) : La Galaxie Restes de supernovae Sursauts solaires NASA/GLAST team

... et les positrons furent Systèmes binaires: Micro-quasars LMXB HMXB Systèmes binaires: haute temperature et densité à l’intérieur du disque d’accretion Etoiles à neutrons: -fortres champs magnétiques Trous noirs: Etoiles à neutrons: Pulsars Trous noirs: Centre galactique NAG

Le télescope SPI sur l’observatoire INTEGRAL Lancement d’INTEGRAL en octobre 2002 bref description d’INTEGRAL spectro-imagerie: > afinement de l’analyse morphologique commencé avec OSSE > sondage du milieu d’annihilation en fonction de la position Buts: identifier la sources des positrons comprendre le processus d’annihilation (relation MIS) 19 détecteurs en Germanium refroidi  DE ≈ 2 keV @ 511 keV Ageo ≈ 500 cm2  (1 Ms) Resolution angulaire ≈ 3 deg Première spectro-imagerie de l’annihilation des positrons !

SPI dévoile le ciel à 511 keV première carte du ciel nombre de photons comparé au nombre d’evenement BdF image non-directe image biaisé (suppression de faibles émissions) => Ou est le disque??? Carte d’exposition Knödlseder et al. (2005) Un an d’observations INTEGRAL Emission sphérique, concentre vers le CG Absence du disque

Ajustement de modèles de distributions 511 keV aux données Voir l’invisible ... Ajustement de modèles de distributions 511 keV aux données model fitting afin de tester la presence du disque galactique detection d’un faible signal (3-4 sigma) trop faible pour contraindre la morphologie incertitude de la morphologie implique une large incertitude sur le flux du disque => Néanmoins: le bulbe domine la Galaxie en luminosité! (aucune classe de source connue montre cette propriété ...)

A quoi ressemble le ciel 511 keV ? Ajustement de cartes du ciel multi-longueurs d’onde 511 keV aux données infrarouge proche microondes rayons X visible infrarouge lointain radio rayons gamma populations vieilles géants K+M binaires X populations jeunes

La matière noire pourrait avoir la bonne distribution spatiale Et si c’était vrai ... La matière noire pourrait avoir la bonne distribution spatiale Kuhlen et al. (2007) Annihilation en vol Diemand et al. (2006) la matière noire pourra donner cette signature morphologique matière noire classique: ça ne marche pas matière noire léger: la solution? déduction des profils ... Annihilation de WIMPs (p.e. Neutralinos): Avec d’autres cannaux d’annihilation deviennent possible: , ... Emission HE non-observé !

Et si c’était plus léger ? La matière noire légère - une alternative Pour la matière noire bosonique, la densité relique n’impose pas de contrainte sur la masse des particules  permis ! Boehm et al. (2004) Contraints par la morphologie: Seul le profil NFW avec un échange férmionique (b~0) est compatible avec les données INTEGRAL. 1. Décroissance: Ascasibar et al. (2006) 2. Annihilation: 2.1. échange férmionique 2.2. échange bosonique

Enfin le disque ... mais quel disque ! augmentation de l’exposition imagerie du disque asymmetrie Carte d’exposition Weidenspointner et al. 2008

Est-ce bien raisonnable ? Profile en longitude galactique Significativité de l’asymmetrie Spectres du disque Plus de détails: profile en longitude montre la faible intensité du disque par rapport au sphéroide (obtenu par ajustement de modèles) la significativité de l’asymmetrie est de 4 sigma; déterminé par la faiblesse du disque positive les spectres confirment l’asymmetrie et montrent que ce ne pas un effet de différence de largeur spectrale Weidenspointner et al. 2008

A quoi ressemble ce disque ? Emission 511 keV Distribution des LMXB durs Weidenspointner et al. 2008

LMXB, la source des positrons ? Positrons produits dans les régions centrales chaudes du disque d’accrétion via Ejection des positrons dans le MIS via jets ou vents Taux de production e+ mal contrainte : Nombre : 71 LMXB durs dans catalogue IBIS 100 µquasars estimés pour la Galaxie (Paredes 2005) LMXB peuvent aisement expliquer l’émission du disque ! Morphologie: LMXB peuvent expliquer ~30% de l’émission du sphéroïde; une autre source de positrons semble indispensable !

Conclusions Le satellite INTEGRAL dévoile l’annihilation de l’antimatière dans notre Galaxie Annihilation de 9 milliards de tonnes de positrons par seconde au centre de la Voie Lactée Origine des positrons incertain (LMXB plausible pour émission du disque) Objectif : Observation de la raie 511 keV dans un objet individuel (binaire X, SNR, pulsar, …)