Transparence de l’univers

Comme il a été montré dans la section 6.1.3, l’opacité de l’univers induite par l’absorption des photons sur le FLE est modifiée en présence de couplage avec des PTA. L’avènement de l’astronomie gamma de très haute énergie avec des télescopes Tcherenkov de haute précision a permis de sonder les spectres à des énergies af- fectées par l’absorption sur le FLE et de contraindre la densité de ce FLE (voir chapitre 4). Des mesures indépendantes réalisées à la fin des années 90 et au dé- but des années 2000 étaient en conflit avec les modèles de FLE de l’époque. Ces observations semblaient exclure les modèles de FLE ou bien requérir des effets de nouvelle physique. Une de ces premières mesures est par exemple l’éruption du NAG Markarian 501 (Mkn 501) situé à un redshift de 0.034, observée par le système de télescopes HEGRA en 1997, où des photons jusqu’à 20 TeV ont été observés [270]. Le spectre observé par HEGRA, extrait de [271] est montré sur la figure 6.6 avec le spectre corrigé de l’absorption sur le FLE. Le modèle de FLE minimal de [272] a

6.2. Signatures des particules de type axion 87 été utilisé pour cette correction.

Figure6.6 – (Extrait de [271]) Spectre observé de Mkn 501 vu par HEGRA pendant l’éruption de 1997, et corrigé de l’absorption sur le FLE avec le modèle minimal de [272].

Le spectre corrigé par l’effet de l’absorption sur le FLE montre une forte remon- tée au delà de 10 TeV. Cette forme spectrale est en contradiction avec les modèles d’émission des sources (voir chapitre 4), suggérant que la correction appliquée au spectre est trop forte. Dans le modèle de FLE utilisé, la densité spectrale de photons du FLE est donc trop élevée par rapport à la correction qui permettrait d’avoir un spectre en accord avec les modèles d’émission. Le problème est que le modèle utilisé ici était un modèle dit "minimal", basé sur des mesures en infrarouge avec l’instru- ment FIRAS. En d’autres termes, l’univers apparaissait plus transparent que prévu. Une des premières solutions avancées pour résoudre cette contradiction est basée sur la brisure de l’invariance de Lorentz, qui aurait pour effet de déformer le seuil en énergie pour la production de paires électrons-positrons, et donc de diminuer l’opa- cité aux énergie mises en jeu [273]. Ce n’est qu’en 2006, suite à de nouvelles mesures effectuées par H.E.S.S. sur deux NAG, 1ES 1101-232 et H 2356-309 (voir [100]), que les PTA ont été proposées comme solution. Les mesures de H.E.S.S. sur ces deux NAG ont montré les mêmes problèmes que pour l’observation de Mkn 501 avec HEGRA. Dans la solution avec PTA, les oscillations photons-PTA permettent de réduire l’opacité de l’univers (voir section 6.1.3) et de rendre les observations cohérentes avec les modèles d’émission.

Différents scénarios sont envisagés dans le cas de la solution avec PTA. Les os- cillations entre photons et PTA pourraient avoir lieu dans le milieu intergalactique, en même temps que l’absorption des photons sur le FLE, en ne prenant pas en

88 Chapitre 6. Phénoménologie des particules de type axion compte les oscillations possibles dans les champs magnétiques de la source ainsi que celui de la Voie Lactée [101]. Cette solution a pour inconvénient majeur qu’elle nécessite un champ magnétique intergalactique (pour lequel aucune mesure précise n’existe) de 1 nG, c’est à dire à la limite supérieure apportée par l’observation du fond diffus cosmologique [274]. Davantage de détails sur ces champs magnétiques seront donnés au chapitre 7. Un autre scénario ne fait au contraire pas intervenir le champ magnétique intergalactique mais ne considère que les oscillations à la source et dans la Galaxie [103]. Dans ce scénario, des photons sont initialement convertis en PTA dans les champs magnétiques présents autour de la source (ces champs seront détaillés dans les chapitres 7 et 10). Ces PTA traversent le milieu intergalactique sans être converties en photons et ne peuvent donc pas être absorbées. A l’entrée dans la Galaxie, les PTA sont partiellement reconverties en photons dans le champ magnétique de la Voie Lactée. Ce scénario est une sorte d’expérience de "lumière qui brille à travers un mur" cosmique (voir chapitre 1) où le mur est fourni ici par l’absorption sur le FLE. Une récente étude a combiné les deux scénarios en consi- dérant les trois domaines de champ magnétique et montré que les PTA fournissent toujours une solution au problème de transparence de l’univers [104].

Depuis les observations de H.E.S.S. en 2006, les modèles de FLE ont été revus. En moyenne, les modèles postérieurs à 2006, présentés au chapitre 4sont deux fois plus faibles que leurs prédécesseurs. Ceci a permis de réconcilier les modèles avec les observations à très haute énergie. La mesure du niveau de FLE par les expériences H.E.S.S. et Fermi/LAT (voir chapitre4), compatible avec le modèles de FLE actuels, en est un bon exemple. Si les PTA ne sont plus nécessaires pour expliquer les mesures au TeV, à l’inverse, ces mesures pourraient être utilisées pour contraindre les PTA. Pour pouvoir poser des contraintes, il est nécessaire d’identifier une signature claire de l’effet recherché.

Une observable de la présence de PTA, explicitée dans [99], pourrait être la re- montée des derniers bins en énergie dans les spectres des sources, due aux effets de transparence. L’idée de cette méthode reposerait sur le fait que dans le cas de transparence anormale induite par des PTA, les derniers bins en énergie remonte- raient. Comme les spectres observés ne sont plus anormaux au regard des modèles de FLE, il serait possible de mettre une contrainte sur le couplage entre photons et PTA. Pour pouvoir estimer la faisabilité de cette exclusion, il est donc nécessaire de calculer la modification de transparence apportée par les PTA.

Une étude de 2009 [67], dans le cadre du scénario de conversion dans le mi- lieu intergalactique, a montré que la transparence apportée par les PTA dépend fortement de la réalisation du champ magnétique sur la ligne de visée, en raison de la dépendance de la probabilité de survie en fonction de la réalisation choisie. De plus, la variance de la probabilité de survie inclut la prédiction du modèle sans PTA, c’est à dire pour g a = 0. Cela signifie qu’il existe des réalisations du champ

magnétique pour lequel l’univers paraît plus opaque avec des PTA. Ces cas défa- vorables arrivent lorsque les PTA ne se reconvertissent pas en photons avant d’être détectés. Un exemple de cette variance est montré avec la bande bleue sur la fi- gure 6.7, extraite de [275]. Cette figure est construite dans le cas du scénario avec

6.2. Signatures des particules de type axion 89 un champ magnétique dans la source de 1 µG sur 500 kpc, typique d’un amas de galaxie, et le modèle de champ magnétique dans la Voie Lactée de [276]. Un cou- plage g a = 5 ⇥ 10 13 GeV 1 et une masse de PTA de 1 neV sont utilisés. Des

irrégularités spectrales apparaissent à plus faible énergie en raison des oscillations entre photons et PTA dans les champs magnétiques (voir section 6.1.2). La bande bleue, obtenue en variant les réalisations du champ magnétique de la source, inclut la courbe en tirets rouges du modèle sans PTA. La probabilité de survie pour une réalisation particulière du champ magnétique de la source est également montrée, ici dans un cas favorable à un excès de transparence induit par des PTA. Dans le scénario considérant l’ensemble des trois champs magnétiques sur la ligne de visée, à la source, dans le milieu intergalactique, et dans la Galaxie, le même résultat où la variance de l’effet de transparence inclut la prédiction sans PTA est retrouvé.

Energy [ TeV ] -5 10 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10 γ → γ P -2 10 -1 10 1 FL E

FL E + PTA une realisation FL E + PTA moyenne FL E + PTA r.m.s.

Figure6.7 – (Extrait de [275]) Représentation de la probabilité de survie d’un pho- ton en fonction de l’énergie. La ligne noire est un exemple pour une réalisation. La ligne en tirets rouges correspond au modèle de FLE sans PTA. La ligne en tirets bleus montre la moyenne sur l’ensemble des réalisations possibles du champ magnétique, alors que la bande bleue en montre la variance.

Le fait qu’il existe des réalisations particulières du champ magnétique qui conduisent à un univers plus transparent avec PTA que sans empêche clairement de mettre des contraintes sur les paramètres des PTA. L’observable de transparence telle qu’intro- duite ici, c’est à dire à travers la présence de bins anormaux aux hautes énergies du spectre, n’est pas une bonne observable pour contraindre les PTA, du moins pour les sources actuellement observées à haute énergie. Dans la section suivante, une

90 Chapitre 6. Phénoménologie des particules de type axion nouvelle observable est proposée, qui se base sur les irrégularités présentes dans le spectre autour de l’énergie critique.