L’étude des signaux spatiaux dans le spectre de haute énergie est relativement récente, et depuis ses débuts, un certain nombre de relevés mystérieux et non prévus par les modèles théoriques intriguent les scientifiques. À l’heure actuelle, de nombreuses hypothèses tentent d’expliquer ces anomalies. L’hypothèse la plus fascinante implique l’insaisissable matière noire, cette forme mystérieuse de matière 4 fois plus abondante que la matière ordinaire, et dont nous n’avons jusqu’à présent détecté que les effets gravitationnels.
Une région de l’espace (au centre de notre galaxie) récemment étudiée, impliquant la détection d’une anomalie dans son spectre d’énergie, contient un nombre élevé d’étoiles ainsi qu’un trou noir d’une masse 4 millions de fois supérieure à celle du Soleil. Si l’on soustrait le rayonnement lumineux détecté, il reste un mystérieux excès de rayonnement gamma qui imprègne la région. On l’appelle « excès de GeV du centre galactique » (GCE), et il intrigue les scientifiques depuis sa découverte par les physiciens Lisa Goodenough et Dan Hooper en 2009.
Deux études récentes menées par Mattia di Mauro, chercheur de la division turinoise de l’Institut national de physique nucléaire (INFN), confirment que l’hypothèse de la matière noire est compatible avec les excès mesurés, démontrant en outre qu’elle n’est pas réfutée par d’éventuelles divergences entre les données théoriques et observationnelles. Les résultats ont été publiés dans la revue Physical Review D et sur arXiv.
Les résultats obtenus sont basés sur une analyse innovante et détaillée comparant les données acquises au cours des 11 dernières années par le principal instrument à bord du télescope spatial Fermi Gamma-ray de la NASA avec les mesures d’autres anomalies astronomiques enregistrées par le détecteur orbital Pamela et par l’expérience du Spectromètre magnétique Alpha (AMS-02) à bord de la Station spatiale internationale.
Matière noire et anomalies dans les hautes énergies
Nous ne savons pas encore ce qu’est la matière noire, mais nous savons simplement qu’il existe une masse mystérieuse responsable d’effets gravitationnels qui ne peuvent être expliqués par les éléments que nous pouvons détecter directement — la matière ordinaire comme celle constituant les étoiles, la poussière, le gaz et les galaxies.
Par exemple, les galaxies tournent beaucoup plus vite qu’elles ne le devraient si elles subissaient uniquement l’influence gravitationnelle de la matière ordinaire qu’elles contiennent ; l’effet de lentille gravitationnelle — la courbure de l’espace-temps autour des objets massifs — est beaucoup plus fort qu’il ne devrait l’être. Ce qui crée cette gravité supplémentaire se situe au-delà de notre capacité à la détecter directement… En d’autres termes, nous ne « connaissons » la matière noire que par l’effet gravitationnel qu’elle exerce sur d’autres objets. Elle représente environ 80% de toute la matière de l’Univers, même si nous ne pouvons pas en voir la moindre parcelle.
Précédemment, Goodenough et Hooper ont proposé que, si certaines particules de matière noire appelées WIMPs (weakly interacting massive particles, soit « particules massives en interaction faible ») et leurs antiparticules entraient en collision, elles s’annihileraient mutuellement, explosant en une pluie d’autres particules, y compris des photons gamma. Cette explication, selon eux, correspondait étonnamment bien aux données. Mais d’autres physiciens n’étaient pas convaincus, l’un d’eux qualifiant même l’explication de « bancale ».
En 2018, une autre équipe de chercheurs a proposé que de très anciens pulsars (des étoiles à neutrons tournant très rapidement sur elles-mêmes), que nous n’avons pas encore détectés, puissent être à l’origine de cet excès. C’est plausible, étant donné que le centre galactique est bondé, poussiéreux et très énergétique. Il serait donc assez facile de manquer une ou plusieurs étoiles.
Des études récentes ont également montré que la distribution du GCE n’est pas lisse — comme on pourrait s’y attendre dans le cas de l’annihilation de la matière noire —, mais plutôt bosselée et mouchetée, ce que l’équipe chargée de la détection des pulsars a interprété comme correspondant à des sources ponctuelles, comme des étoiles.
Une autre équipe d’astronomes a alors émis l’hypothèse que le rayonnement gamma irrégulier pouvait être produit par la matière noire, ce qui a remis la question sur la table. D’autres chercheurs ont ensuite généré une série de modèles exhaustifs du centre galactique avec annihilation de la matière noire en utilisant une gamme de masses. Ils ont constaté qu’il était peu probable que les WIMPs soient à l’origine du GCE.
Des contraintes compatibles avec le GCE
L’étude de Di Mauro utilise le plus large ensemble de données du télescope Fermi collectées au cours de l’année dernière et minimise les incertitudes introduites par le rayonnement de fond. Cela a fourni, selon Di Mauro, des informations sur la distribution spatiale du GCE qui peuvent aider à écarter diverses explications.
« Si l’excès était, par exemple, causé par l’interaction entre les rayons cosmiques et les atomes, nous nous attendrions à observer sa plus grande distribution spatiale à des énergies plus faibles et sa plus faible diffusion à des énergies plus élevées, en raison des propagations des particules cosmiques », a-t-il expliqué. « Mon étude, en revanche, souligne que la distribution spatiale de l’excès ne change pas en fonction de l’énergie ».
Selon lui, ceci n’avait jamais été observé auparavant, et pourrait être expliqué par la matière noire, puisque les particules de matière noire devraient avoir des énergies similaires, selon les modèles. « L’analyse montre clairement que l’excès de rayons gamma est concentré dans le centre galactique, exactement ce que nous nous attendrions à trouver au cœur de la Voie lactée si la matière noire est en fait un nouveau type de particule », a-t-il ajouté.
Quant à savoir ce qu’est cette particule, c’est encore un grand mystère. Dans un deuxième article non revu par des pairs, Di Mauro et son collègue Martin Wolfgang Winkler de l’Université de Stockholm, ont tenté de la faire sortir de l’ombre en recherchant un excès de rayons gamma dans les galaxies sphéroïdales naines proches. Ils n’en ont pas trouvé, mais cette détection nulle a permis d’établir des contraintes sur la masse de la particule de matière noire.
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