INTEGRAL & MATIERE NOIRE LEGERE

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1 INTEGRAL & MATIERE NOIRE LEGERE
M.Cassé Service d’Astrophysique,CEA Institut d’Astrophysique de Paris PLAN I.Observation 511 keV avec SPI/INTEGRAL Taux d’annihilation 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 d’annihilation CERN (LHC) References Cassé, Cordier, Paul,Schanne, ApJ 602(2004)L17, 2004 Boehm, Hooper, Silk, Cassé et Paul PRL, Mars 2004

2 Observation SPI raie 511 keV Centre Galactique
Jean et al, 2003, A&A, 407 Observation SPI/INTEGRAL Raie à 511 keV provenant de e+ e- annihilation vers Centre Galactique Centroide: /-0.10 keV Iargeur intrinsèque: /-0.51 keV (FWHM) (resolution instrumentale de 2.16 keV soustraite)  raie mince Flux: ( /-0.21)×10-3 ph cm-2 s-1 INTEGRAL/SPI

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

5 Observation de la raie de 511 keV dans les régions centrales de la galaxie par SPI
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 s) disque galactique non détecté

6 Fraction de Positronium près du Centre Galactique
Annihilation e+ dans milieu interstellaire après ralentissement à vitesse thermique annihilation e+ e- directe : 2g (511keV) formation de Positronium (para) 1/4 of the Ps (s=0) annihilation via 2g (511keV line) formation of Ps (s=1) 3/4 of the Ps (triplet) annihilation via 3g ( keV) fraction de positronium : fPs= 2 / ( F511 / F3g) CGRO/OSSE Kinzer et al, ApJ 559 (2001) raie mince  3 keV fPs= 0.93 ± 0.04 Majeure partie de l’annihilation des positons dans la région centrale de la galaxie procède par positronium interposé donc dans un milieu tiède (~5×104 K). Preuve indirecte que ce “milieu tiède” existe GRO/OSSE data

7 Source de positons dans les régions centrales de la Galaxie
flux de photons 511 keV observé F = ( /-0.21)×10-3 ph cm-2 s-1 Jean et al, 2003, A&A, 407 Distance du centre galactique RO = 8.0 ± 0.4 kpc Eisenhauer et al, ApJ 597 (2003) détermination géometrique : orbite de l’étoile S2, Taux de production des photons 511 keV Lph = 7.7 ×1042 ph s-1 Fraction annihilation e+ via Ps fPs = ± 0.04 Taux d’annihilation Le+= Lph (2-3 fPs / 2) = 1.3 ×1043 e+ s-1 Chaque seconde 1.3 ×1043 positrons s’annihilent dans le bulbe de la galaxie Quelle est la souce de ces positons?

8 Sources potentielles de e+
Trou noirs aspirants (binaires)/microquasars  pas assez de sources, activité trop brève Radioactivité + de la matière fraîchement synthétisée et éjectée Par ordre d’importance 22Na Novae  quantités trop faible 26Al SN et WR  (émission à 1809 keV) insuffisante 44Ti SN: flux plus faible encore 56Ni SN II MNi=0.1 M enveloppe épaisse (10Mo) positons libérés ~ 0% SN Ia MNi= 0.6 M envelope plus mince (1 Mo) positons libérés ?

9 Nombre de positons libérés Ne+ = 8×1052
Production de positons par SNIa Paramètres typiques SNIa: M=1.34 Mo masse éjectée E=1.17×1051 erg énergie cinétique (E=1/2 M v2) MNi = 0.6 Mo masse de 56Ni synthétisé SOURCE D’ENERGIE: 56Ni  56Co (t1/2=6.1 j)  56Fe (t1/2=77j) + e+ Modèle d’explosion simple (symétrie spherique)- - expansion homologue libre : R = v t - noyaux radiaoctifs (56Ni) profondément enfouis - production de positons par - absorption: r R = l = libre parcours moyen l ~ 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 56Co restant Nombre de positons libérés Ne+ = 8×1052

10 HYPERNOVA SN2003dh SNIA: OBJETS PUREMENT RADIOACTIFS nourris par désintégr. du 56Ni formé lors de l’explosion, puis du 56CO, son fils 56Ni  56Co (t1/2=6.1 j)  56Fe (t1/2=77j) + e+ Eg=847 keV, <Ee+>= 640 keV (19%), Emax=1.4 MeV Au début, envelope dense opaque aux g et e+ ,ensuite fuite progressive Courbe de lumière de SN2003dh décroît plus vite que SNIa  Éjection plus rapide (transparence plus précoce)  Fuite plus rapide g and e+  Nombre élevé de positrons libérés Time (days since max) Magnitude difference (V-band) SN2003dh libère plus de positons (~1054) que SNIa (~8 1052), pour même quantité initiale initiale de 56Ni. 56Ni  56Co (t1/2=6.1 j)  56Fe (t1/2=77j) + e+ (Br=19%)

11 Estimation du taux de SNIa dans le Bulbe Galactique
Comparison spectrale Bulge Galactique avec autres galaxies Age et Metallicité Photométrie stellaire Bulbe: elliptique,type Sa (or Sc) Galaxie: spirale, type Sbc) Bulbe Galactique, Stellaire,vieux (~10 Gyr) M = (2.03±0.26)×1010 Mo Taux de SN Ia dans le Bulbe Galactique Statistique des SN en fonction de la masse 2•1010 × 0.29 •10-11 = 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 Production de Positron par SN2003dh
Woosley & Heger, astro-ph C.L. de SN2003dh (type très rare) Reproduite par modèle à 2 composantes : Éjections Polaire rapide + Equatoriale lente C+O étoile W-R 10 Mo, vestige de 2 Mo, 8 Mo éjectées Paramètres of SN2003dh (Woosley & Heger) MNi = 0.5 Mo masse de 56Ni synthesisé ~45° demi -angle d’ouverture M=1.2 Mo masse éjectée par cone E=1.25×1052 erg énergie cinétique par cone 56Ni ejecta Même calcul,maintenant par cone Libre Parcours Moyen des positrons l ~ 0.6 g cm-2 Temps de fuite scaling M E-1/2  fuite à t ~ 107 j 42% of 56Co reste pour donner des positrons 1054 positrons «échappent (sans mélange) virtuallement tous les positrons échappent car fort mélange convectif  SN2003dh pourrait produire 25 fois plus de positons qu’une SNIa Taux d’annihilation observé par SPI expliqué par des de Hypernovae du type SN2003dh , si taux d’occurrence ~ 0.02/siècle Problématique: Taux d’Hypernove dans région centrale inconnu

13 MATIERE NOIRE INVENTAIRE (% de la masse de l’U.) 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 d’annihilation  , (e+,e-), (, anti-), (p,anti-p) Positons produit par plusieurs canaux d’annihilation    WW ZZ tt +- Canal principal: q-antiq (b,anti-b)  ° 2 + +  e+ - -  e- ~ ~ ~ ~

15 e+ injectés à haute Energie
NEUTRALINO m = 500GeV – 10TeV e+ injectés à haute Energie Hooper et al., 2004 Energie ~ 1043 Ee+ ergs-1 si Ee+ ~ 1 GeV Lbol > 1040 erg s-1 >> Lbol(non thermique)  Radio-synchrotron + Bremmstrahlung Pas observé Branchement (e+ e-)/ ~ 1 énorme flux de  HE Les Positons ne proviennent pas de l’annihilation des neutralinos

16 MATIERE NOIRE BOSONIQUE LEGERE

17 Matière noire légère Masse et constante de couplage g’’ ajustées:
- non observation au LEP densité relique (Big-Bang) dmh2 ~ WMAP <a v> ~ 1 pb - 511 keV Flux <a’v> ~ pb <a v > >> <’a v> gel halo  v = a + bv2 a = 0 

18 Annihilation de matière noire
Double annihilation e+e-2 ou 3  Ee+ ~ 5-10 MeV Annihilation sur place  =1/4d-2∫<v>n2ds Intégrale sur la ligne de visée de la densité de la m.n. au carré L~2R  ~M2R-5 D2 =1.5  =1 INTEGRAL  =

19 TESTS Mesure emission 511 kev d’une galaxie naine proche
Mesure emission 511 kev d’une 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) tann > tgal ? Destruction par effet de marée

20 Palomar 13 Amas globulaire anormal Globule de matière noire ?
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 ~ 105 Mo; Rmarée ~ 23 pc; D = 24.3 kpc Norm: M(1kpc) 10-3 ph cm-2 s-1, D =8kpc ~M2 R-5 D-2 M/Mo  (cm-2 s-1 Moore BS NFW PS Annihilation totale

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