Il y a beaucoup de mystérieux événements au centre de la Voie lactée. Le trou noir supermassif qui y réside est le chef parmi eux. Mais il y a là un autre casse-tête fascinant: une région sphérique inattendue d'émissions intenses de rayons gamma.
Une nouvelle étude suggère que la matière noire pourrait être à l'origine de ces émissions.
Il existe de nombreuses sources de rayons gamma dans l'univers, et la plupart d'entre elles sont bien comprises. Les pulsars, les magnétars et les quasars produisent tous des rayons gamma. Mais peuvent-ils expliquer les rayons gamma provenant du centre de notre galaxie?
Les rayons gamma sont puissants. Ils sont une forme de rayonnement électromagnétique pénétrant produit par les phénomènes les plus énergétiques de l'Univers. Ils ont les longueurs d'onde les plus courtes de tout type de rayonnement électromagnétique et l'énergie photonique la plus élevée.
L'excès de rayons gamma au cœur de la Voie lactée est connu des physiciens, et ils l'appellent l'excès du centre galactique (GCE). Nous en savons beaucoup sur la Voie lactée, et cette connaissance a réduit les explications de la GCE à deux possibilités principales: soit une population de pulsars, qui sont des étoiles à neutrons en rotation rapide, soit la matière noire. Les physiciens pensent que s'il s'agit de matière noire, elle existe dans un nuage dense au centre de la galaxie, entrant en collision avec elle-même et s'anéantissant pour produire des rayons gamma.
En 2015, une étude a montré que la source du GCE était en fait des pulsars, et que la matière noire n'était pas impliquée. Cette étude est venue d'une équipe de chercheurs de Princeton et du MIT, dont le professeur agrégé de physique Tracy Slatyer. Ils ont utilisé des observations du centre galactique prises avec le télescope spatial à rayons gamma Fermi ainsi qu'un modèle décrivant toutes les interactions dans la Voie lactée qui pourraient produire des rayons gamma. Ils ont conclu que les pulsars étaient responsables.
Mais une nouvelle étude, impliquant également Slatyer du MIT, semble avoir renversé ces résultats et désigné la matière noire comme la source de tous ces rayons gamma.
La nouvelle étude s'intitule «Revival of the Dark Matter Hypothesis for the Galactic Center Gamma-Ray Excess» et est publiée dans Physical Review Letters. Les auteurs sont Tracy Slatyer du Centre de physique théorique du MIT et Rebecca Leane de la School of Natural Sciences, Institute of Advanced Study. Leur étude indique qu'il y a un problème avec le précédent, et ses résultats ne sont pas fiables. Une contribution de la matière noire à la CME aurait pu passer inaperçue.
La difficulté de restreindre le GCE aux pulsars ou à la matière noire tient à la façon dont les photons sont émis et à notre capacité technologique à les détecter. Les rayons gamma de la matière noire seraient diffus, tandis que ceux des pulsars seraient des sources ponctuelles plus concentrées. En 2015, tous les rayons gamma semblaient diffus, mais cela pourrait être dû au fait que les sources ponctuelles semblent diffuses à nos télescopes, qui ont une résolution spatiale limitée. En 2015, les chercheurs ont conclu que les pulsars étaient responsables.
La Voie lactée est plus ou moins plate, avec un renflement au centre. Les rayons gamma occupent une région sphérique au centre d'environ 5 000 années-lumière de rayon. La méthode développée par Slatyer et ses collègues en 2015 a tenté de déterminer si cette région sphérique était «lisse» ou si elle était «granuleuse». Leur raisonnement était que si les pulsars sont la source des rayons gamma, alors ces rayons gamma devraient donner à cette région sphérique un aspect granuleux. Il y aurait des espaces sombres entre les rayons gamma où il n'y avait pas de sources pulsar.
Mais si les rayons gamma provenaient de la matière noire, alors la région sphérique serait lisse. "Chaque ligne de visée vers le centre galactique contient probablement des particules de matière noire, donc je ne devrais pas voir d’écarts ou de points froids dans le signal", a expliqué Slatyer.
Ils ont développé un modèle qui représentait toute la matière et le gaz de la Voie lactée, ainsi que toutes les interactions des particules qui pouvaient produire des rayons gamma. Ensuite, ils ont envisagé des modèles pour la région sphérique du GCE qui étaient granuleux ou lisses, et une méthode statistique pour les distinguer. Ensuite, ils ont pris ce modèle et y ont introduit des observations réelles du télescope spatial à rayons gamma de Fermi, pour voir si les observations correspondaient à un profil granuleux ou lisse.
Si les observations s'inscrivent dans un profil granuleux, alors les pulsars pourraient expliquer les rayons gamma. S'ils s'inscrivent dans un profil lisse, la matière noire pourrait les expliquer. Le profil granuleux était un ajustement écrasant.
"Nous avons vu qu'il était à 100% granuleux, et nous avons donc dit:" Oh, la matière noire ne peut pas faire ça, alors ça doit être autre chose "", se souvient Slatyer. «J'espérais que ce ne serait que la première de nombreuses études sur la région du centre galactique utilisant des techniques similaires. Mais en 2018, les principaux contrôles croisés de la méthode étaient toujours ceux que nous avions effectués en 2015, ce qui me rendait assez nerveux que nous ayons raté quelque chose. »
Finalement, Slatyer et Leane ont décidé de tester le modèle. Slatyer craignait qu'il ne soit pas assez robuste. Ils ont décidé de créer une "fausse" carte du ciel comprenant un signal de matière noire et des pulsars qui n'étaient pas associés au GCE. Ils l'ont introduit dans le modèle et même si leurs données contenaient un faux signal de matière noire, le modèle a conclu qu'il était granuleux et donc dominé par les pulsars. Selon Slatyer, c'était la preuve que leur modèle n'était pas infaillible et qu'il y avait encore de la place pour que la matière noire joue un rôle au sein du GCE.
"Si c'est vraiment de la matière noire, ce serait la première preuve que la matière noire interagit avec la matière visible par des forces autres que la gravité."
Rebecca Leane, co-auteur, École des sciences naturelles, Institut d'études avancées.
Un collègue a ensuite suggéré aux chercheurs d'ajouter un faux signal de matière noire combiné à de vraies observations de Fermi pour tester leur modèle, au lieu d'une fausse carte de fond.
Ils l'ont fait et leur modèle statistique a échoué au test. Malgré le signal de matière noire lisse, le modèle a renvoyé un résultat à dominante pulsar granuleuse. Ils ont augmenté leur signal de matière noire à quatre fois la taille du GCE réel et leur modèle n'a toujours pas pu le détecter.
"" À ce stade, j'étais assez excité, parce que je savais que les implications étaient très grandes - cela signifiait que l'explication de la matière noire était de retour sur la table ", dit Leane.
Si ces derniers résultats sont corrects, alors c'est un gros problème.
«S'il s'agit vraiment de matière noire, ce serait la première preuve que la matière noire interagit avec la matière visible par des forces autres que la gravité», explique Leane. «La nature de la matière noire est actuellement l'une des plus grandes questions ouvertes en physique. L'identification de ce signal comme matière noire peut nous permettre d'exposer enfin l'identité fondamentale de la matière noire. Quel que soit l'excès, nous apprendrons quelque chose de nouveau sur l'univers. »
"C'est excitant en ce que nous pensions avoir éliminé la possibilité que ce soit de la matière noire", a déclaré Slatyer dans un communiqué de presse. «Mais il y a maintenant une faille, une erreur systématique dans la réclamation que nous avons faite. Il rouvre la porte pour que le signal provienne de la matière noire. »
Ce nouveau résultat est publié dans la revue Physical Review Letters du 11 décembre.
Plus:
- Communiqué de presse du MIT: Y a-t-il de la matière noire au centre de la Voie lactée?
- Document de recherche: relance de l'hypothèse de la matière noire pour l'excès de rayons gamma du centre galactique
- Wikipedia: Particules massives à faible interaction (WIMP)
