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Le télescope spatial XMM-Newton est-il sur la piste de la matière noire ?

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Le LHC va bientôt repartir à la chasse aux particules de matière noire dont les propriétés ont été précisées par les observations issues de Planck. Celles menées avec le satellite XMM-Newton commencent peut-être à révéler leur présence sous forme d'émission de rayons X au cœur de certaines galaxies, comme celle d'Andromède.

Interview : quelles particules composent la matière noire ?  Selon les calculs et les observations, il existerait dans l'espace une grande quantité de matière invisible. Cette masse mystérieuse, baptisée matière noire, est encore aujourd'hui une énigme à laquelle se frottent de nombreux chercheurs. Dans le cadre de sa série de vidéos Questions d’experts, sur la physique et l’astrophysique, l’éditeur De Boeck a interrogé Richard Taillet, chercheur au LAPTH, afin qu'il nous en dise plus sur cette matière noire. 

Le LHC a été mis à l'arrêt pendant deux ans afin de le préparer pour une seconde phase d'exploration du monde de la physique des particules avec des faisceaux de protons plus lumineux et à plus hautes énergies. Ceux-ci feront leur retour en mars 2015 et la collecte de données devrait s'étaler sur une période de trois ans. Après la découverte du boson de Brout-Englert-Higgs, tout le monde espère que viendra bientôt celle des particules de matière noire tant recherchées. En attendant, les chercheurs essayent toujours de les détecter indirectement ou, au moins, de poser des nouvelles contraintes sur leurs propriétés grâce aux observations en astrophysique et en cosmologie.

Dernièrement, ce sont les analyses des mesures réalisées avec le satellite Planck qui ont défrayé la chronique à ce sujet. On en discute activement à Paris cette semaine, à l'occasion d'un congrès. On peut suivre en ligne et en direct les interventions des chercheurs avec un webcast de l'IN2P3. Comme nous l'avait expliqué l'astrophysicienne Cécile Renault, les observations de Planck mettent à mal certains modèles de matière noire qui supposaient que ces particules peuvent se désintégrer en donnant préférentiellement des leptons comme les positrons, les antiparticules des électrons. On sait en effet que parmi le zoo de ces modèles, certains prévoient que ces particules sont instables ou peuvent s'annihiler avec leurs antiparticules. Toutefois, comme nous l'avait précisé la chercheuse, des modèles similaires, où la production de photons gamma prédomine ou remplace celle de positrons, sont encore parfaitement compatibles avec les observations de Planck.

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Deux astrophysiciens du Laboratoire de physique des particules et de cosmologie (LPPC) de l'EPFL et de l'Institut de physique de l'université de Leiden, aux Pays-Bas, Oleg Ruchayskiy et Alexey Boyarsky ont publié sur le site arxiv un article intriguant. Avec leurs collègues, les chercheurs ont analysé les données collectées avec un autre satellite de l'Esa, XMM-Newton. Au lieu de sonder les mystères du cosmos dans le domaine des micro-ondes comme l'a fait Planck avec le rayonnement fossile, cet instrument scrute l'univers dans le domaine des rayons X.

Des neutrinos stériles au cœur des galaxies ?

Les astrophysiciens pensent qu'ils ont ainsi découvert, au cœur de la galaxie d'Andromède (M31) et dans l'amas de galaxies de Persée, des émissions de rayons X qui ne peuvent s'expliquer correctement à l'aide de la physique du modèle standard. Une bonne explication peut cependant être avancée en invoquant la disparition de particules de matière noire. Cette interprétation est d'autant plus séduisante que les intensités de ces émissions sont maximales précisément dans les régions où les modèles de matière noire les plus couramment utilisés prévoient une concentration de ces particules, tel le centre des galaxies. Enfin, des émissions dans le domaine des rayons X similaires ont finalement été découvertes par les chercheurs dans le cœur même de la Voie lactée.

S'agit-il de la première véritable détection des particules de matière noire ? Il est encore trop tôt pour le dire même si les chercheurs avancent l'hypothèse qu'il pourrait s'agir, étant donnée la nature du signal observé, de neutrinos stériles. On sait toutefois que des neutrinos stériles légers ne pointent plus le bout de leur nez dans les observations du rayonnement fossile selon les mesures de Planck. Mais comme il existe aussi des neutrinos stériles lourds ainsi que plusieurs théories concernant les neutrinos stériles, on ne peut encore être sûr de rien. Il faut sans doute s'armer encore d'un peu de patience pour y voir plus clair au sujet de l'énigmatique matière noire.

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Les observations des courbes de vitesse de révolution v(r) des étoiles autour du centre de leur galaxie à une distance r montrent qu’elles tournent trop vite si on se base sur la loi de la gravitation de Newton ou sur la masse déduite de la luminosité des galaxies. C’est l’une des preuves de l’existence de la matière noire. © Gianfranco Bertone