Les observations de Fermi montrent un excès de rayons gamma au cœur de la Voie lactée. Elles sont surimposées en fausses couleurs à une image dans le visible sur ce montage photographique. © Nasa
Sciences

La matière noire brille peut-être au centre de la Voie lactée

ActualitéClassé sous :Univers , matière noire , voie lactée

-

Les particules de matière noire restent toujours insaisissables directement, mais peut-être pointent-elles indirectement le bout de leur nez au centre de la Voie lactée. Le satellite Fermi y voit un intrigant excès de rayons gamma que l'on a de nouvelles raisons de considérer comme l'effet de la présence de ces particules exotiques.

Cela vous intéressera aussi

[EN VIDÉO] Qu’est-ce que la matière noire ?  La matière noire est l'une des grandes énigmes de l'astrophysique. Si les particules qui la constituent existent bien, elles devraient nous permettre de comprendre l'origine des galaxies. Mais leur nature reste un mystère. Stefano Panebianco, ingénieur de recherche au CEA, nous explique cette question très ouverte. 

Nous n'arrivons toujours pas à faire naître suffisamment rapidement dans le cosmos observable les galaxies sans matière noire, et les particules qui la composent sont également un ingrédient fondamental par les filaments qu'elles forment en s'effondrant gravitationnellement pour faire croître les galaxies (le cosmologiste Romain Teyssier l'expliquait récemment à Futura). Les observations de Planck concernant le rayonnement fossile sont également incompréhensibles à ce jour sans matière noire.

Mais comme son nom l'indique, les particules de matière noire ne rayonnent pas de lumière, ou pour le moins très peu, ce qui implique qu'elles doivent être neutres ou très faiblement chargées. Nous savons que cette matière ne peut pas être composée entièrement, et même de très loin, de particules du modèle standard en physique des hautes énergies, car cela entrerait en contradiction avec les calculs et les observations concernant la nucléosynthèse primordiale, qui fournit les abondances des noyaux d'hydrogène, d'hélium et de leurs isotopes à la fin du Big Bang. Une très faible partie de la matière noire est sous forme des neutrinos du modèle standard cependant, et on pourrait mentionner le fait qu'une partie des protons du Big Bang est aussi cachée dans les filaments de matière connectant les galaxies et les amas de galaxies.

Mais comment démontrer l'existence de ces particules de matière noire dans le cosmos observable si elles ne rayonnent pas ou très peu ?

On pourrait croire que la matière noire ne se signale que par la force de gravitation qu'elle exerce, plus importante que celle des masses sous forme de baryons puisque sa contribution aux masses dans les galaxies et amas de galaxies est plus grande. Mais plusieurs modèles théoriques de ces particules exotiques, encore jamais vues dans des accélérateurs ou des détecteurs enterrés sur Terre, montrent qu'elles peuvent malgré tout être responsables indirectement d'émissions de radiation.

Cette vidéo commence par une plongée en direction du centre de la Voie lactée avec des images prises dans le visible. Elle se termine par une superposition de ces images avec celles prises dans le domaine des rayons gamma avec les instruments de Fermi. Elles montrent une région large de 5.000 années-lumière environ qui est particulièrement brillante en fausses couleurs. Le rouge désigne le maximum de la luminosité. © Nasa, YouTube

Des photons gamma produits par l'annihilation de la matière noire

Il s'agit en l'occurrence de photons gamma qui seraient produits par l'annihilation de paires de particules et d'antiparticules de matière noire. L'idée est ancienne puisqu'elle a été formulée une première fois à la fin des années 1970, comme l'a rappelé récemment le physicien Dan Hooper du Fermilab. Ce dernier s'est particulièrement occupé de la traque aux particules de matière noire en utilisant comme signature des émissions anormales de rayons gamma en astrophysique, via le télescope Fermi.

Comme Futura l'avait expliqué dans les précédents articles ci-dessous, on s'interroge depuis des années sur les excès de rayons gamma que ce télescope détecte au centre de la Voie lactée et de la galaxie d'Andromède.

Les modèles de matière noire ont tendance à prédire son accumulation au cœur des galaxies. La densité de matière noire y devenant plus élevée que dans le halo sphérique censé baigner les galaxies et rendre compte des mouvements rapides des étoiles et du gaz en bord des galaxies (on peut tenter de se passer de la matière noire en modifiant les lois de la mécanique céleste newtonienne avec Mond, mais ce n'est pas sans poser des problèmes), les rencontres entre particules de matière noire pouvant mener à leur annihilation sont plus nombreuses et donc le rayonnement que ces collisions produisent, peut-être, serait plus intense.

Toutefois, en 2015, une équipe de physiciens états-uniens du MIT et de l'université de Princeton avait avancé un argument troublant contre cette explication de l'excès de rayons gamma détecté par Fermi au cœur de la Voie lacté. L'une des chercheuses de cette équipe, Tracy Slatyer, vient cependant de publier dans Physical Review Letters, avec sa collègue Rebecca Leane, un article également disponible sur arXiv dans lequel les deux astrophysiciennes mettent en doute cet argument.

Fermi, les supernovae et les pulsars gamma. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Nasa Goddard

Des émissions gamma continues ou discrètes ?

Initialement, le raisonnement était le suivant. Nous savons que des explosions de supernovae, et des étoiles à neutrons, que l'on peut détecter sous forme de pulsars, sont des sources importantes de rayons gamma. Nous avons des difficultés à observer l'occurrence de ces sources dans le bulbe de la Voie lactée car les nuages de gaz et de poussières, qui s'interposent entre nous et le cœur de la Galaxie, absorbent une partie des divers rayonnements produits par les astres qui s'y trouvent. On pouvait donc supposer que l'excès des émissions gamma observé au centre de la Voie lactée soit seulement le produit d'une importante population de pulsars dont la présence n'avait pas été établie auparavant.

Pour tenter de faire la différence entre les deux hypothèses, particules de matière noire ou pulsars, les astrophysiciens avaient construit un modèle permettant d'interpréter les observations de Fermi. Pour faire simple, si les émissions gamma sont la signature d'une distribution de matière noire, une carte suffisamment précise de ces émissions devrait montrer qu'elles varient de façon plutôt lisse et continue. À l'inverse, une population de pulsars devrait donner en zoomant sur ces émissions une carte avec des grumeaux, chacun étant associé à un pulsar.

En 2015, en employant leur modèle pour analyser les signaux de Fermi, les chercheurs avaient conclu que l'hypothèse des pulsars était très favorisée.

Mais aujourd'hui, Tracy Slatyer et Rebecca Leane font savoir que la méthode utilisée semble avoir un gros problème. Elles ont en particulier cherché à savoir si cette méthode pouvait détecter la présence de la matière noire dans le cas où elle se retrouverait associée à une population de pulsars. Il s'est avéré que non dans des simulations avec deux signaux artificiels pour ces deux hypothèses injectées dans le modèle utilisé pour les analyses.

Le résultat le plus dérangeant a été obtenu en ajoutant un faux signal de matière noire aux signaux mesurés par Fermi. Même en ajoutant des émissions gamma dues à de la matière noire quatre fois plus intense que les données de Fermi, la technique d'analyse s'obstinait à produire une carte des émissions inhomogènes, comme si seule existait une population de pulsars.

Il semble donc de nouveau possible de soutenir de façon crédible que Fermi voit bien la matière noire briller au cœur de la Voie lactée, même si une démonstration manque encore.

  • Plusieurs des théories proposées pour décrire les particules de matière noire dont on a besoin pour faire naître et croître les galaxies pourraient s'annihiler en donnant notamment des photons gamma.
  • Les particules de matière noire devraient être plus abondantes au cœur des galaxies où elles devraient produire un excès de rayonnement gamma.
  • On observe un tel excès au centre de la Voie lactée et de la Galaxie d'Andromède. Il pourrait être dû à une population pas encore bien établie de pulsars gamma.
  • Mais, il pourrait effectivement être le début de la preuve tant attendue de l'existence de ces particules.
Pour en savoir plus

La matière noire brille peut-être au centre de la galaxie d'Andromède

Article de Laurent Sacco publié le 24/02/2017

Les particules de matière noire restent toujours insaisissables directement mais peut-être pointent-elles indirectement le bout de leur nez au centre de la galaxie d'Andromède. Le satellite Fermi y voit, tout comme dans le cas de la Voie lactée, un intrigant excès de rayons gamma.

Alors que les analyses des observations du rayonnement fossile par Planck n'ont fait que renforcer le modèle de la matière noire froide en cosmologie, les physiciens et les astrophysiciens des particules ont beaucoup plus de mal que prévu à les mettre en évidence. Elles ne se sont pas montrées dans les expériences au LHC et n'ont pas été prises non plus dans les filets tendus pour les capturer que sont des détecteurs Lux ou Xenon. Parallèlement, la théorie Mond marque des points dans le monde des galaxies et il se pourrait bien qu'elle finisse par détrôner le modèle standard en cosmologie - lequel repose sur l'existence des particules de matière noire -, en proposant à la place une modification des lois de la gravitation. Une combinaison des deux théories est également possible.

En attendant, les chercheurs traquent aussi des signaux indirects de l'existence des particules de matière noire dans les rayons cosmiques et dans le domaine de l'astronomie gamma. Certains candidats théoriques possibles sont en effet capables de s'annihiler avec leur antiparticule en donnant des particules du modèle standard comme des positrons ou des photons gamma. Des instruments dans l'espace tels que le détecteur AMS, le « Hubble des rayons cosmiques », à bord de l'ISS, et le satellite Fermi traquent ces signaux.

Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Nasa Goddard

Andromède et la Galaxie, des laboratoires pour traquer la matière noire

Les résultats obtenus avec AMS sont ambigus. Il en est de même avec ceux de Fermi lorsqu'il tourne son regard vers le centre de la Voie lactée et qu'il y observe un excès de rayons gamma. Dans les deux cas, les anomalies découvertes pourraient tout aussi bien s'expliquer avec une population de pulsars, ces étoiles à neutrons qui illuminent le ciel dans le domaine radio à la façon des phares terrestres.

Dans le cas des observations de Fermi, l'excès de rayons gamma observé correspond bien au modèle de matière noire qui prédit une plus grande concentration de ces particules dans le bulbe de notre galaxie spirale barrée. Mais comme nous l'observons à travers des nuages moléculaires poussiéreux qui sont en mesure de nous dissimuler jusqu'à des explosions de supernovae, il est difficile d'écarter l'hypothèse que ces rayons gamma soient en fait produits indirectement par des pulsars.

Pour tenter de contourner le problème, les astrophysiciens ont donc braqué Fermi vers une autre grande galaxie, notre voisine la plus proche M31 alias Andromède. On la voit en effet comme si on était légèrement au-dessus de son disque.

Comme le montre un article publié dans The Astrophysical Journalun excès de rayon gamma y a aussi été détecté qui pourrait bien trahir l'existence de la matière noire, sans que cela soit encore probant. Vu la distance cette fois-ci, il n'est pas évident d'y découvrir des pulsars dans le domaine des rayons X ou radio. Mais les chercheurs ne sont pas découragés pour autant. Ils profitent de ces observations dans le domaine gamma pour approfondir leur connaissance de la propagation et de la dynamique des rayons cosmiques dans les galaxies spirales, ce qui, indirectement, a des implications dans la chasse à la matière noire.

Le disque d'Andromède semble par exemple émettre moins de rayons gamma que dans la Voie lactée, ce qui pourrait signifier qu'elle les produit différemment ou qu'ils s'en échappent beaucoup plus vite. En comparant et croisant les données concernant ces deux galaxies, il est permis de penser qu'elles se donneront mutuellement des clés de plusieurs énigmes, dont celle de la matière noire.


La matière noire pointe-t-elle son nez au centre de la Voie lactée ?

Article de Laurent Sacco publié le 11/04/2014

La théorie de l'inflation prédit généralement que l'univers doit contenir autre chose que des particules de matière normale. Les observations de Bicep2 viennent de conforter cette théorie, rendant encore plus probable l'existence de particules de matière noire. Elles sont peut-être en train de pointer le bout de leur nez au centre de la Voie lactée. Le satellite Fermi y détecte des émissions de rayons gamma inexpliquées avec des sources classiques.

Depuis presque une quinzaine d'années, les observations et les contraintes expérimentales se sont accumulées en faveur du modèle cosmologique standard basé sur l'existence de la matière noire froide et de l'énergie noire. Beaucoup de cosmologistes allaient d'ailleurs plus loin en considérant que la théorie de l'inflation, en raison de ses nombreuses prédictions couronnées de succès, faisait déjà partie du modèle cosmologique standard. Pourtant, d'autres restaient sceptiques, faisant valoir l'absence de détection directe des particules de matière noire et des difficultés au niveau du comportement des galaxies naines autour d'Andromède et de la Voie lactée. L'énergie noire pouvait être un artefact d'une description trop simplifiée de la géométrie de l'espace-temps de l'univers observable, sous-estimant son inhomogénéité. Enfin, tout le monde savait bien que la véritable preuve de l'existence d'une phase d'inflation au tout début de l'évolution du cosmos ne pouvait venir que d'une découverte solide de l'existence d'une polarisation particulière du rayonnement fossile, les modes B.

Depuis deux ans, on peut se demander si l'histoire qu'a connue le modèle standard en physique des particules n'est pas sur le point de se répéter en cosmologie. La fin des années 1960 et les années 1970 ont en effet vu la montée en puissance du modèle électrofaible et de la chromodynamique quantique, culminant en 1983 avec la découverte des bosons W et Z. Or, les résultats des observations de Planck en 2013 ont fortement consolidé le modèle de la matière noire froide complété par la théorie de l'inflation. La même année, la confirmation de la découverte du boson de Brout-Englert-Higgs a donné plus de poids à cette théorie en montrant qu'un champ scalaire associé à une brisure de symétrie, l'un des ingrédients possibles de l'inflation, existait bien. Mais surtout, c'est la probable découverte des modes B par Bicep2 qui laisse aujourd'hui espérer une confirmation imminente de la théorie de l'inflation.

De la matière noire qui se concentre dans le bulbe galactique

Voilà que ce sont maintenant les observations de Fermi qui entrent dans la danse, en suggérant cette fois-ci qu'une preuve de l'existence de la matière noire est à portée de main. Des astrophysiciens membres du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), du Massachusetts Institute of Technology (MIT) et de l'université de Chicago viennent en effet de publier sur arxiv un article faisant état d'une émission anormale de rayons gamma dans la région centrale de la Voie lactée.

Le modèle de la matière noire froide prédit en effet que les particules de matière noire formant un halo autour d'une galaxie ont tendance à se rassembler en son centre. Certains modèles de matière froide prévoient aussi que ces particules peuvent s'annihiler en entrant en collision. Parmi les produits finaux de la collision, on peut trouver des photons gamma. Il en résulte que les cœurs des galaxies, plus riches en matière, devaient être particulièrement brillants en rayons gamma. Les collisions entre particules de matière noire doivent y être plus fréquentes et plus nombreuses, puisque la densité de matière noire y est plus élevée.

À gauche, une carte des émissions de rayons gamma, avec des énergies comprises entre 1 et 3,16 GeV, détectées dans le centre galactique par Fermi (la couleur rouge indique les émissions les plus intenses). Les principaux pulsars sont indiqués. Si l'on supprime les sources d'émissions gamma connues, il reste des émissions que l'on voit sur l'image de droite. On peut rendre compte de ces émissions par l'annihilation de particules de matière noire. © Tim Linden, université de Chicago

Il existe aussi des processus beaucoup moins exotiques susceptibles de produire des rayons gamma, à savoir des explosions de supernovae ou l'annihilation des positrons et des électrons produit par l'accrétion de matière sur des astres compacts, en particulier des pulsars, faisant partie de systèmes binaires. Mais selon les chercheurs, même en tenant compte de ces sources classiques de rayons gamma, il existerait bel et bien une région d'environ 5.000 années-lumière de rayon au centre de la Voie lactée dont la luminosité ne peut-être expliquée autrement qu'en postulant l'existence de particules de matière noire dont les masses sont comprises entre 31 et 40 GeV. Si tel est bien le cas, ces particules devraient finir par révéler leur présence dans les détecteurs du LHC quand il redémarrera en 2015. Elles auraient échappé jusqu'à présent à toute détection à cause de leur très faible probabilité d'interaction avec les particules de matière normale.

Signature gamma évasive dans les galaxies naines

Avant cette possible découverte directe des particules de matière noire avec le LHC, Fermi pourrait nous apporter une preuve de leur existence très convaincante, bien qu'indirecte. En effet, selon le modèle de la matière noire froide, les galaxies naines devraient être bien plus riches en matière noire que des galaxies comme la Voie lactée. En outre, le bruit de fond en rayons gamma produit par des sources classiques devrait aussi y être moins important. Les membres de la collaboration Fermi ont déjà observé 25 galaxies naines sur quatre ans sans vraiment y découvrir des émissions anormales en rayons gamma. Toutefois, il faut garder à l'esprit que ces galaxies naines contiennent chacune moins de matière noire que la région centrale de notre Galaxie, et qu'elles sont plus éloignées du Soleil. Elles sont donc de toute façon moins brillantes en gamma que le centre de la Voie lactée. Pour prendre une comparaison avec la photographie, l'étude des galaxies naines exige avec Fermi un temps de pose plus long pour espérer y découvrir des traces de l'annihilation des particules de matière noire.

Nous sommes peut-être réellement au seuil d'une révolution majeure en cosmologie. Mais il semble sage d'attendre encore des vérifications indépendantes par plusieurs expériences en cours ou à venir avant de s'en convaincre. La situation pourrait encore se retourner.

Abonnez-vous à la lettre d'information La quotidienne : nos dernières actualités du jour. Toutes nos lettres d’information

!

Merci pour votre inscription.
Heureux de vous compter parmi nos lecteurs !