Une lueur mystérieuse capturée au centre de notre galaxie pourrait vraiment être due à la matière noire

(NASA Goddard ; A. Mellinger, CMU ; T. Linden, Université de Chicago)

Le centre de la Voie lactée brille mystérieusement.

Bien sûr, il y a tout un tas d'étoiles là-bas, avec un trou noir 4 millions de fois la masse du Soleil - mais soustrayez la lumière de tout cela, et nous nous retrouvons toujours avec ce mystérieux excès de rayonnement gamma qui imprègne la région.

C'est ce qu'on appelle le Galactic Center GeV Excess (GCE), et il 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 - l'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.



Maintenant, le physicien Mattia Di Mauro de l'Institut national de physique nucléaire en Italie a jeté son chapeau dans le ring. Son analyse, dit-il, renvoie à matière noire en tant que coupable de GCE (cela a d'abord été présenté comme une explication par Goodenough et Hooper).

Nous ne savons pas ce qu'est la matière noire, juste qu'il existe une masse mystérieuse responsable d'effets gravitationnels qui ne peuvent être expliqués par ce 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 étaient simplement influencées gravitationnellement par la matière normale qu'elles contiennent ; la lentille gravitationnelle - la courbure de l'espace-temps autour d'objets massifs - est bien plus forte qu'elle ne devrait l'être. Tout ce qui crée cette gravité supplémentaire est au-delà de notre capacité à détecter directement.

Nous ne connaissons la matière noire que par l'effet gravitationnel qu'elle a sur d'autres objets, et il y en a beaucoup là-bas. À peu près 80 pour cent de toute la matière dans l'Univers se trouve de la matière noire, même si nous n'en voyons pas une miette.

Goodenough et Hooper ont proposé que, si certaines particules de matière noire appelées WIMPS (particules massives en interaction faible) et leurs antiparticules devaient entrer en collision, elles s'annihiler , explosant en une pluie d'autres particules, dont des photons gamma. Cette explication, ont-ils dit, correspondait étonnamment bien aux données. D'autres physiciens n'étaient pas convaincus, l'un appelant même l'explication ' précaire '.

En 2018, une autre équipe de scientifiques a proposé que de très vieilles étoiles mortes appelées pulsars que nous n'avons pas encore vupourrait être à l'origine de l'excès. C'est plausible, car le centre galactique est encombré, poussiéreux et très énergique - il serait assez facile de rater 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 de l'annihilation de la matière noire - mais plutôt grumeleuse et tachetée, ce que le presser équipe interprétée comme cohérente avec des sources ponctuelles, comme des étoiles.

Puis une autre équipe est arrivée et a décidé que le rayonnement gamma tachetépourrait être produit par la matière noire, en le remettant sur la table. Encore plus de chercheursa ensuite généré une sériede modèles exhaustifs du centre galactique avec annihilation de matière noire utilisant une gamme de masses dans les régimes les plus couramment recherchés. Ils ont constaté qu'il était peu probable que les WIMP soient la cause du GCE.

Retour à Di Mauro. Son étude compare les données du télescope Fermi au cours des 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 Alpha Magnetic Spectrometer à bord de l'ISS.

En particulier, son étude utilise le plus large ensemble de données de Fermi recueillies au cours de la dernière année et minimise les incertitudes introduites par le rayonnement de fond. Cela a fourni, a déclaré 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 basses et sa plus faible diffusion à des énergies plus élevées en raison des propagations de particules cosmiques', il expliqua .

'Mon étude, en revanche, souligne que la distribution spatiale de l'excédent ne change pas en fonction de l'énergie.'

Ceci, a-t-il dit, n'avait jamais été observé auparavant et pourrait s'expliquer 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 au 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', il a dit .

Quant à savoir ce qu'est cette particule, c'est toujours un énorme mystère. Dans un deuxième article de prépublication, Di Mauro et son collègue Martin Wolfgang Winkler de l'Université de Stockholm en Suède ont tenté de le faire sortir de l'ombre en recherchant un excès de rayons gamma dans les galaxies sphéroïdales naines voisines. Ils n'en ont pas trouvé, mais cette détection nulle a permis 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 parler de matière noire n'est pas le causant non plus. Fondamentalement, tout cela est aussi déroutant que jamais, et nous allons avoir besoin d'une science assez fascinante (et de beaucoup plus d'observations, probablement) pour même commencer à le démêler.

Nous pouvons ressentir une grande perturbation dans la force, comme de nombreux physiciens se frottant les mains dans une joie anticipée.

Les recherches de Di Mauro ont été publiées dans Examen physique D , et le deuxième article est disponible sur arXiv .

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