La mystérieuse lueur captée au centre de notre galaxie pourrait vraiment être due à la matière noire

Le centre de la Voie lactée brille mystérieusement.

Bien sûr, il y a tout un tas d’étoiles à cet endroit, ainsi qu’un trou noir d’une masse 4 millions de fois supérieure à celle du Soleil, mais si l’on soustrait la lumière de tout cela, il nous reste ce mystérieux excès de rayonnement gamma qui imprègne la région.

Il s’agit de l’excès de GeV du centre galactique (GCE), qui intrigue les scientifiques depuis sa découverte par les physiciens Lisa Goodenough et Dan Hooper en 2009. Dans les données du télescope Fermi de la NASA, ils ont trouvé un excès de rayonnement gamma – une des lumières les plus énergétiques de l’Univers – et nous n’avons pas été en mesure de détecter directement ce qui en est la cause.

Aujourd’hui, le physicien Mattia Di Mauro, de l’Institut national de physique nucléaire en Italie, a jeté son chapeau dans l’arène. Son analyse, dit-il, désigne la matière noire comme coupable de GCE (cette explication a été avancée pour la première fois par Goodenough et Hooper).

Nous ne savons pas 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 normale comme 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 normale 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 est au-delà de notre capacité à la détecter directement.

Nous connaissons seulement la matière noire par l’effet gravitationnel qu’elle exerce sur d’autres objets, et il y en a beaucoup. Environ 80 % de toute la matière de l’Univers est de la matière noire, même si nous ne pouvons pas en voir la moindre parcelle.

Goodenough et Hooper ont proposé que, si certaines particules de matière noire appelées WIMPS (weakly interacting massive particles) et leurs antiparticules entraient en collision, elles s’annihileraient mutuellement, explosant en une pluie d’autres particules, y compris des photons gamma. Cette explication, ont-ils dit, correspondait étonnamment bien aux données. D’autres physiciens n’étaient pas convaincus, l’un d’eux qualifiant même l’explication de « bancale ».

En 2018, une autre équipe de scientifiques a proposé que de très vieilles étoiles mortes, appelées pulsars, que nous n’avons pas encore vues, pourraient être à l’origine de cet excès. C’est plausible, car le centre galactique est bondé, poussiéreux et très énergétique – il serait assez facile de manquer une étoile ou plusieurs.

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 des pulsars a interprété comme correspondant à des sources ponctuelles, comme des étoiles.

Puis une autre équipe est arrivée et a jugé que le rayonnement gamma moucheté 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 dans les régimes les plus couramment recherchés. Ils ont constaté qu’il était peu probable que les WIMPs soient à l’origine du GCE.

Revenons à Di Mauro. Son étude compare les données du télescope Fermi sur les 11 dernières années avec les mesures d’autres anomalies astronomiques enregistrées par le détecteur de rayons cosmiques Pamela à bord du satellite Resurs-DK No.1 et l’expérience du spectromètre magnétique Alpha à bord de l’ISS.

En particulier, son étude utilise le plus large ensemble de données de 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. »

Ceci, a-t-il dit, n’avait jamais été observé auparavant, et pourrait être expliqué par la matière noire, puisque nous pensons que les particules de matière noire devraient avoir des énergies similaires.

« 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 déclaré.

Quant à savoir ce qu’est cette particule, c’est encore un grand mystère. Dans un deuxième article préimprimé, Di Mauro et son collègue Martin Wolfgang Winkler de l’université de Stockholm en Suède 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.

Ces contraintes, ont-ils dit, sont compatibles avec le GCE.

Cela signifie-t-il que la matière noire est à l’origine du GCE ? Non, mais cela signifie que nous ne pouvons pas non plus affirmer que la matière noire n’en est pas la cause. En fait, cette affaire est plus déroutante que jamais, et nous aurons besoin d’une science assez fascinante (et probablement de beaucoup plus d’observations) pour commencer à la démêler.

Nous pouvons sentir une grande perturbation dans la force, comme si de nombreux physiciens se frottaient les mains par anticipation.

Les recherches de Di Mauro ont été publiées dans Physical Review D, et le second article est disponible sur arXiv.

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Source : ScienceAlert – Traduit par Anguille sous roche