Les signaux de la matière noire de la voie lactée dans le doute après de nouveaux articles controversés

Nous savons que c’est là, mais nous ne savons pas ce que c’est: ce truc invisible est de la matière noire. Les scientifiques sont assez certains qu’il domine le cosmos, mais ses ingrédients ne sont pas clairs. Pendant un certain temps, les astrophysiciens ont été excités par deux signaux potentiels de matière noire dans l’espace: un excès inexpliqué de lumière gamma au centre de la Voie lactée et un mystérieux pic de lumière X repéré dans certaines autres galaxies et amas de galaxies. Les signaux ont été interprétés comme une preuve possible que la matière noire s’anéantit et se désintègre en différentes particules, respectivement, mais deux nouveaux articles semblent freiner les deux espoirs. Certains disent qu’il est temps de chercher différentes voies vers la matière noire. Cependant, d’autres chercheurs soutiennent que l’un ou l’autre de ces signaux pourrait encore s’avérer être la réponse.

Le pic de rayons X, considéré comme une ligne lumineuse d’émission à une énergie de 3500 électrons volts (3,5 KeV), a été repéré pour la première fois en 2014 et a maintenant été identifié dans de nombreux amas de galaxies, ainsi que dans notre galaxie voisine Andromède. L’excitation ici vient du fait qu’un candidat prometteur pour la matière noire, une marque de particules connue sous le nom de neutrino stérile, devrait naturellement se désintégrer en matière ordinaire et produire exactement ce type de ligne d’émission. Récemment, Benjamin Safdi de l’Université du Michigan et ses collègues ont décidé de rechercher cette ligne dans notre propre galaxie en analysant une énorme quantité de données provenant du télescope de la mission multi-miroirs à rayons X (XMM-Newton). L’équipe a pris des images de divers objets collectés à d’autres fins et les a bloqués pour plutôt regarder dans le sombre «espace vide» sur le côté pour la lumière de 3,5 KeV. Après avoir amassé ce qui équivaut à un temps d’exposition total d’environ un an, les chercheurs n’ont vu aucun signe de pic. Leurs résultats sont sortis aujourd’hui dans Science. “Malheureusement, nous n’avons rien vu”, dit Safdi, “et le résultat est que l’interprétation de la matière noire de cette ligne est exclue par de nombreux ordres de grandeur.”

Affaire classée? Pas exactement. De nombreux astronomes des rayons X contestent les méthodes des chercheurs et affirment que cette caractéristique est très susceptible d’être présente dans notre galaxie et est toujours un concurrent sérieux pour la matière noire. «J’ai plusieurs réserves sur la partie technique du document», déclare Nico Cappelluti de l’Université de Miami. «La technique qu’ils utilisent n’est pas standard. Et donc je pense que les conclusions qu’ils en tirent sont un peu précipitées. » Un autre physicien, Alexey Boyarsky de l’Université de Leiden aux Pays-Bas, l’exprime plus franchement. «La plupart des experts que je connais pensent que le principal résultat du document est faux», dit-il. “Je ne vois pas comment ils peuvent prétendre que cette ligne n’existe pas dans ces données.”

Boyarsky et ses collaborateurs ont également examiné les données XMM-Newton pour la ligne de rayons X et publié un papier préimprimé en décembre 2018 affirmant qu’ils l’avaient détecté dans la Voie lactée avec une forte signification statistique. La différence, dit-il, est que l’équipe de Safdi a analysé une gamme d’énergie trop étroite et n’a donc pas pu séparer avec précision le rayonnement de fond inhérent à toutes les données du télescope du pic en question. Safdi rétorque que sa technique d’analyse, bien que nouvelle en astronomie des rayons X, a fait ses preuves dans la recherche en physique des particules, notamment dans les recherches de matière noire au Grand collisionneur de hadrons (LHC) au CERN près de Genève. “Chaque fois que vous apportez un nouveau cadre d’analyse à un domaine, il y a beaucoup de discussions sur les mérites de celui-ci. Vous manquez quelque chose? ” il dit. “Nous pensons que c’est une manière plus robuste d’analyser les données, ce qui rend moins probable que vous vous trompiez en voyant quelque chose qui n’est pas réellement là.” À propos des résultats de Boyarsky et de ses collègues, Safdi déclare: “Ma meilleure supposition est que ce qu’ils voient dans leur analyse est soit une fluctuation statistique, soit un problème systématique”.

Pourtant, de nombreux scientifiques affirment que le signal radiographique reste une voie prometteuse vers la matière noire. «Je pense que, pour que la ligne 3,5 KeV dise quelque chose de significatif, nous avons besoin de nouvelles technologies», explique Esra Bulbul du Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics à Garching, en Allemagne, qui, avec ses collègues, a détecté la ligne pour la première fois dans le Amas de galaxies Persée en 2014. La mission d’imagerie et de spectroscopie aux rayons X (XRISM), dirigée par la Japan Aerospace Exploration Agency et devant être lancée en 2022, devrait fournir des preuves définitives de l’existence de ce signal et de sa correspondance avec les caractéristiques attendues de la matière noire. «Avant cela, je ne serai pas convaincu que l’origine de la matière noire de la ligne est exclue», déclare Bulbul.

Destruction de la matière noire

L’autre lien potentiel avec le côté obscur, la lumière des rayons gamma inexpliquée au centre de notre galaxie, suggère non pas la décomposition de la matière noire mais sa destruction. Dans ce scénario, la substance mystérieuse pourrait être à la fois de la matière et de l’antimatière. Ainsi, lorsque deux particules de matière noire se rencontrent, elles pourraient s’annihiler, créant des rayons gamma dans le processus. Le signal gamma a été vu pour la première fois en 2009 dans les données du télescope spatial Fermi Gamma, et les scientifiques ont depuis débattu de sa provenance. Bien que la lumière corresponde aux modèles de matière sombre, elle pourrait être plus banale, peut-être créée par de nombreuses étoiles à neutrons en rotation appelées pulsars au cœur de la Voie lactée.

Une nouvelle étude a analysé de près le modèle des rayons gamma en termes de leur propagation spatiale et de leur énergie. Les chercheurs ont découvert que la lumière correspond un peu mieux à la forme des étoiles régulières, aux émissions gazeuses et galactiques du «renflement» au centre de notre galaxie qu’aux modèles de la façon dont les sous-produits de l’énergie noire agiraient. “Avec cela, puisque nous avons un meilleur ajustement, la question est: combien de place reste-t-il pour la matière noire?” dit Kevork Abazajian de l’Université de Californie, Irvine, auteur principal du document, qui a été soumis à Physical Review D et publié sur le serveur de préimpression arXiv.org. Ils ont trouvé que la réponse n’était pas beaucoup. “Nous avons imposé les contraintes les plus strictes à l’anéantissement de la matière noire.”

Ici aussi, cependant, les scientifiques ne sont pas prêts à jeter l’éponge. “Le document apporte de nouvelles preuves intéressantes qui devraient être prises en compte”, a déclaré Cappelluti. «Il s’agit d’une autre mesure très compliquée. C’est définitivement quelque chose que nous ne devons pas abandonner, et nous devons continuer à enquêter. ” Tracy Slatyer, physicienne au Massachusetts Institute of Technology, est d’accord. «Il s’agit d’une très belle analyse, mais elle est conditionnelle au fait que le fond galactique et les modèles de signaux que nous avons sont assez bons», dit-elle. «Je crains que ces modèles ne soient pas assez bons pour tirer ces conclusions.»

Au cours des dernières années, d’autres études ont montré que l’excès de rayons gamma de la Voie lactée semble plus susceptible de provenir de «sources ponctuelles» individuelles de lumière – telles que celles qui pourraient être produites par des pulsars – plutôt que d’une propagation régulière des émissions – comme le ferait être créé par la matière noire. Slatyer et son M.I.T. Cependant, la collègue Rebecca Leane a constaté qu’un effet systématique pourrait biaiser ces recherches vers cette réponse et que les pulsars ne sont pas nécessairement plus favorisés que la matière noire. “Cet effet peut simuler une forte préférence pour exactement les types de sources de points lumineux que les analyses précédentes ont découvert”, explique Slatyer. “Cela ne signifie pas qu’il ne peut y avoir de sources ponctuelles dans l’excès, et cela ne signifie pas que l’excès est de la matière noire. Mais nous devons être prudents vis-à-vis de toutes les analyses précédentes qui ont dit qu’il doit s’agir de sources ponctuelles. »

Crise existentielle

En fin de compte, les scientifiques se grattent la tête devant le comportement extrêmement étrange de 85% de la masse de l’univers. Les nouvelles études discréditant les signaux supposés de matière noire dans notre galaxie leur font-elles douter de l’existence de la matière noire? “Non”, dit Abazajian, “la matière noire des particules est si cohérente avec ce qui a été observé, depuis l’échelle de la sous-galaxie jusqu’à l’horizon du cosmos, qu’elle est, fondamentalement, sans aucun doute là.”

Même si leur foi en l’existence de la matière noire n’est pas ébranlée, l’espoir des scientifiques de la trouver pourrait être diminué. Non seulement les preuves astrophysiques sont insaisissables, mais les expériences de détection directe visant à capturer les particules responsables ont jusqu’à présent échoué. Et les recherches au LHC sont également vides. “Nous ne les voyons pas dans le laboratoire, nous ne les voyons pas dans le LHC, et nous ne les voyons pas dans le ciel”, déplore Abazajian. “Il y a une sorte de crise existentielle en physique des particules.”

Et l’incapacité des scientifiques à trouver de la matière noire rend sa véritable identité plus incertaine que jamais. Les candidats jadis leaders pour la matière noire, les particules massives à faible interaction (WIMP), sont pratiquement exclus par leur incapacité à se présenter dans les expériences de détection directe – et peut-être par les nouvelles limites calculées par le papier d’Abazajian. «Beaucoup de modèles standard pour ce que les gens pensaient être de la matière noire auraient été retirés de la table», explique Safdi. «Beaucoup de gens pensaient que les WIMP existeraient presque certainement. Dans un certain sens, c’est une période décourageante. Mais dans un autre sens, c’est très excitant parce que cela signifie que nous sommes tous en train de réfléchir, de revenir à l’essentiel, de réfléchir à ce que peut être la matière noire. “