Paris, 3 avril 2013

L'expérience AMS mesure un excès d'antimatière dans l'espace
La collaboration internationale du spectromètre magnétique Alpha AMS, qui implique le CNRS pour la partie française, publie ses tout premiers résultats dans sa quête d'antimatière et de matière noire dans l'espace. Les premières observations, basées sur l'analyse de 25 milliards de particules détectées durant les 18 premiers mois de fonctionnement, révèlent l'existence d'un excès d'antimatière d'origine inconnue dans le flux des rayons cosmiques. Ces résultats pourraient être la manifestation de l'annihilation de particules de matière noire telle qu'elle est décrite par certaines théories de supersymétrie, même si des analyses complémentaires seront nécessaires pour vérifier une telle origine révolutionnaire.
Située à bord de la Station Spatiale Internationale, l'expérience AMS est un détecteur de particules dont le but est l'étude des rayons cosmiques. Les rayons cosmiques sont des particules chargées telles que des protons ou des électrons, qui bombardent en permanence notre planète. Les positons, quant à eux, sont des particules d'antimatière qui ressemblent de très près à des électrons, mais qui s'annihilent avec eux et sont de charge opposée. Les premiers résultats de l'expérience AMS indiquent ainsi avec une précision sans précédent la présence d'un excès de positons dans le flux des rayons cosmiques. Il apparaît que la fraction de positons augmente de façon continue de 10 GeV à 250 GeV. Cette variation ne peut pas être expliquée par la seule production de positons secondaires, c'est-à-dire par ceux résultant uniquement des collisions des noyaux d'hydrogène avec le milieu interstellaire. D'autre part, les données ne montrent pas de variation significative temporelle ou d'inhomogénéité spatiale. Ces résultats ont été obtenus à partir d'un an et demi de données qui ont permis l'enregistrement de 25 milliards de particules incluant 400,000 positons dans des énergies de 0.5 GeV à 350 GeV.

Un tel excès d'antimatière avait déjà été observé par le satellite PAMELA en 2008, puis par le satellite Fermi, à des énergies inférieures. Les données d'AMS  dépassent le domaine en énergie précédemment sondé et viennent confirmer avec une précision et une quantité de données sans précédent qui ne laissent plus place au doute quant à l'existence de cet excès de positons. L'origine de ce signal, en revanche, reste inexpliqué. Il pourrait être le fait de pulsars proches de notre galaxie ou être la signature de l'existence de particules de matière noire. Les théories de supersymétrie prédisent en effet l'observation d'un tel excès de positons qui résulterait de l'annihilation de particules de matière noire. De tels modèles prévoient également une « coupure » aux énergies élevées. Plus de données seront nécessaires pour déterminer avec précision la proportion de positons au-dessus de 250 GeV.

La présence de matière noire dans notre univers n'est jusqu'à présent détectée que de manière indirecte au travers de ses effets gravitationnels. Cependant, la nature de cette matière noire reste l'un des plus importants mystères de la physique moderne alors qu'elle compterait pour près d'un quart de l'ensemble de la balance masse-énergie de l'Univers, contre seulement 4 à 5 % pour la matière ordinaire visible. L'une des hypothèses favorites des physiciens est que cette matière noire serait constituée de particules interagissant très peu avec la matière.

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Paris, 13 février 2012

Découverte d'îlots de gaz froid dans notre Galaxie
Grâce à l'instrument HFI de la mission Planck de l'ESA, une équipe internationale comprenant de nombreux chercheurs du CNRS, du CEA et d'universités françaises, vient de révéler que notre Galaxie contient des îlots de gaz froid jusque-là inconnus. Ce résultat sera présenté cette semaine lors d'une conférence internationale à Bologne (Italie) où des scientifiques du monde entier discuteront ensemble des résultats intermédiaires de la mission Planck.
Les nuages froids présents dans les galaxies, en particulier dans notre Voie Lactée, constituent des "réservoirs" à partir desquels se forment les étoiles. Ils se composent essentiellement de molécules d'hydrogène, et dans une moindre mesure de monoxyde de carbone.
Les molécules d'hydrogène sont cependant difficiles à détecter car elles émettent peu de rayonnement. Bien que beaucoup moins abondant, le monoxyde de carbone se forme dans des conditions similaires et émet, à l'inverse, facilement de la lumière. C'est pour cette raison que les astronomes l'utilisent comme traceur pour cartographier les nuages d'hydrogène. "Il se trouve que Planck est un excellent détecteur de monoxyde de carbone sur l'ensemble du ciel" indique Jonathan Aumont, chercheur à l'Institut d'astrophysique spatiale  (Université Paris-Sud/CNRS) à Orsay.
Une équipe internationale, dont de nombreux chercheurs du CNRS, du CEA et d'universités françaises, a donc souhaité utiliser l'instrument HFI de la mission Planck de l'ESA pour dresser la première carte complète de la distribution du monoxyde de carbone dans notre Galaxie. "Planck balaye systématiquement l'ensemble du ciel, ce qui nous a permis de détecter des concentrations de gaz moléculaire là où on ne les attendait pas" précise Jonathan Aumont. Un avantage d'autant plus précieux que les télescopes radio demandent beaucoup de temps et sont donc souvent focalisés sur les portions du ciel où l'on soupçonne déjà l'existence de ces nuages moléculaires.

Ce résultat sera présenté cette semaine lors d'une conférence internationale à Bologne (Italie), où des scientifiques du monde entier discutent ensemble des résultats intermédiaires de la mission, dont la découverte également d'un mystérieux "voile micro-ondes" dans la Voie Lactée. Pour Jan Tauber, responsable scientifique de Planck à l'ESA, "les résultats obtenus, à ce stade de la mission, sur le voile galactique et sur la distribution du monoxyde de carbone nous donnent un point de vue inédit sur certains processus physiques à l'œuvre dans notre Galaxie".

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Sur les traces de la matière dans le cosmos

L'exposé débutera par une présentation synthétique de l'état actuel des connaissances concernant la genèse et l'histoire de l'Univers (modèle du big bang). Nous préciserons le rôle des différentes formes de matière et d'énergie dans l'évolution et la structuration de l'Univers. Ceci nous permettra en particulier d'introduire les concepts de la matière sombre et de l'énergie noire. La plus grande partie de l'exposé sera consacré à un tour d'horizon de quelques unes des méthodes utilisées pour identifier et caractériser les différentes composantes de matière et d'énergie présentes dans l'univers. Nous verrons en particulier comment l'étude des anisotropies du fond diffus micro-ondes permet de contraindre le contenu matériel du cosmos. Ce fond de rayonnement électromagnétique est le vestige du passé chaud de l'Univers et ses infimes anisotropies nous révèlent les clés de la physique de l'univers primordial. Nous montrerons ensuite comment l'observation des supernovae lointaines, véritables feux d'artifices cosmiques, apportent une information complémentaire à travers les contraintes obtenues sur la géométrie globale de l'univers. Enfin, la dernière partie de l'exposé nous amènera à explorer les étoiles à neutrons, ainsi que les trous noirs et leurs disques d'accrétion. Les observations à haute énergie, dans le domaine des rayons X et gamma permettent de lever le voile sur ces objets, sièges des phénomènes les plus violents dans l'univers. Dans les prochaines années, les détecteurs d'ondes gravitationnelles ouvriront peut-être une nouvelle fenêtre d'observation de ces objets insolites.

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Thémistocle (1990)

Parmi les signaux que nous envoie l'espace sous forme de photons, les rayons gammas, venant des profondeurs de l'univers, sont les plus énergétiques. Ce film explique à l'aide d'animations l'origine des gammas cosmiques et le principe de leur détection, et présente l'expérience Thémistocle qui utilise des réseaux de détecteurs optiques au sol pour repérer des sources de rayons gammas. Lors de son entrée dans l'atmosphère, une particule cosmique est multipliée et forme une gerbe de particules secondaires d'énergies plus faibles. Le fait que les gammas arrivent d'une direction fixe dans l'espace permet de les identifier comme tels. Dans les Pyrénées, là où les bergers depuis toujours regardent vers le ciel, sur le site de l'ancienne centrale solaire EDF Thémis, 18 télescopes ont été installés. Le cône de lumière accompagnant les gerbes de particules gammas, appelé lumière Tcherenkov, est concentré par les miroirs concaves et détecté par un photomultiplicateur qui transforme la lumière en signal électrique et l'amplifie. Les ordinateurs enregistrent les signaux et calculent les directions pour repérer la source fixe. Ces appareils ont été conçus, mis au point puis montés par des laboratoires de recherche d'Ile de France, de Genève et de Perpignan.

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