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PLAN I.Observation 511 keV avec SPI/INTEGRAL

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

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PLAN I.Observation 511 keV avec SPI/INTEGRAL

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Presentation Transcript

  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 M.Cassé@iap.fr

  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: • 511.06+0.17/-0.10 keV • Iargeur intrinsèque: • 2.95+0.45/-0.51 keV (FWHM) • (resolution instrumentale de 2.16 keV soustraite) •  raie mince • Flux: • (0.99+0.47/-0.21)×10-3 ph cm-2 s-1 INTEGRAL/SPI M.Cassé@iap.fr

  3. M.Cassé@iap.fr

  4. 26Al map (1809 keV) CGRO/COMPTEL Knödlseder, 1999, Proceedings 'Astronomy with Radioactivities’ M.Cassé@iap.fr

  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 M.Cassé@iap.fr

  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 (0 - 511 keV) • fraction de positronium : • fPs= 2 / (1.5 + 2.25 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 M.Cassé@iap.fr

  7. Source de positons dans les régions centrales de la Galaxie flux de photons 511 keV observéF = (0.99+0.47/-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 = 0.93 ± 0.04 Taux d’annihilation Le+= Lph (2-3 fPs / 2) = 1.3 ×1043 e+ s-1 • Chaque seconde1.3 ×1043positrons s’annihilent • dans le bulbe de la galaxie • Quelle est la souce de ces positons? M.Cassé@iap.fr

  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 • 22NaNovae quantités trop faible • 26AlSN et WR(émission à 1809 keV) insuffisante • 44TiSN: flux plus faible encore • 56Ni SN II MNi=0.1 Menveloppeépaisse (10Mo) • positons libérés ~ 0% • SN IaMNi= 0.6 M envelope plus mince (1 Mo) • positons libérés ? M.Cassé@iap.fr

  9. Production de positons par SNIa • Paramètres typiques SNIa: • M=1.34 Momasse éjectée • E=1.17×1051 erg énergie cinétique (E=1/2 M v2) • MNi = 0.6 Mo massede56Ni synthétisé • SOURCE D’ENERGIE: • 56Ni  56Co (t1/2=6.1 j)  56Fe (t1/2=77j) + e+ • Modèled’explosion simple (symétrie spherique)- • - expansion homologue libre : R = v t • - noyaux radiaoctifs (56Ni) profondément enfouis • - productionde 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 avecdécrochage de C.L. • 3.3% of 56Co restant • Nombre de positons libérés Ne+= 8×1052 M.Cassé@iap.fr

  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%) M.Cassé@iap.fr

  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) • BulbeGalactique, Stellaire,vieux (~10 Gyr) • M = (2.03±0.26)×1010 Mo • Taux deSN 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 8 1052 e+/SNIa • Il en faudrait 0.5/siècle • Les positons ne proviennent pas • des SNIa e »’ M.Cassé@iap.fr

  12. Production de Positron par SN2003dh • Woosley & Heger, astro-ph030916 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 de56Ni synthesisé ~45° demi -angle d’ouverture M=1.2 Mo masse éjectée par cone E=1.25×1052 erg énergie cinétiquepar cone 56Ni ejecta • Même calcul,maintenantpar cone • Libre Parcours Moyen des positrons l ~ 0.6 g cm-2 • Temps de fuitescalingM E-1/2  fuite àt ~ 107 j • 42% of 56Co reste pour donner des positrons • 1054 positrons «échappent(sans mélange) • virtuallementtous les positrons échappent car fort mélange convectif • SN2003dh pourrait produire25foisplus depositons 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 M.Cassé@iap.fr

  13. MATIERENOIRE INVENTAIRE (% de la masse de l’U.) Matière atomique: 4 Matière noire non baryonique: 26 Energie noire (pression répulsive): 70 M.Cassé@iap.fr

  14. hypothese :ANNIHILATION DE MATIERE NOIRE NATURE ? NEUTRALINOS (candidat favori) EMISSION  (551keV):DOUBLE ANNIHILATION e+e- or   = a~+ bZ~ + cH~o,1 + dH~o,2 photino Zinohiggsinos PARTICULES DE MAJORANA (particle = antiparticle) produits finaux d’annihilation  , (e+,e-), (, anti-), (p,anti-p) Positons produitpar plusieurs canaux d’annihilation   WW ZZ tt +- Canal principal: q-antiq (b,anti-b) ° 2 ++e+ --e- ~ ~ ~ ~ M.Cassé@iap.fr

  15. NEUTRALINO m = 500GeV – 10TeV e+ injectésà 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 Pas observé Les Positons ne proviennent pas de l’annihilation des neutralinos M.Cassé@iap.fr

  16. MATIERE NOIRE BOSONIQUE LEGERE M.Cassé@iap.fr

  17. Matière noire légère Masseet constante de couplage g’’ ajustées: - non observation au LEP densité relique (Big-Bang) dmh2 ~0.1WMAP <a v> ~ 1 pb - 511 keV Flux <a’v> ~ 10-4 - 10-5 pb <a v > >> <’a v> gel halo  v = a + bv2 a = 0 M.Cassé@iap.fr

  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  = 0.4-- 0.8 M.Cassé@iap.fr

  19. TESTS • 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 M.Cassé@iap.fr

  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=2.8 103Lo; 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 2.5 109 4 10-5 BS 8 108 3.9 10-4 NFW 3.8 108 1.7 10-3 PS 1.8 108 8.1 10-2 Annihilation totale M.Cassé@iap.fr

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

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