Dans un passé récent, les missions spatiales dédiées à l'étude des signaux astrophysiques dans le spectre des hautes énergies ont révélé une série d'excès énigmatiques non prévus par les modèles théoriques. Afin de trouver une explication à ces anomalies, de nombreuses solutions ont été proposées. L'hypothèse la plus excitante invoque la contribution de l'insaisissable matière noire, la forme mystérieuse de la matière quatre fois plus abondante que la matière baryonique, et dont les scientifiques n'ont jusqu'à présent détecté que des effets gravitationnels.

Deux études théoriques récentes menées par Mattia di Mauro, chercheur de la division turinoise de l'INFN, dont l'un est paru aujourd'hui dans Examen physique D , confirmer que cette explication est compatible avec des excès mesurés, démontrant en outre qu'elle n'est pas réfutée par des divergences potentielles entre les données théoriques et les données d'observation. Les résultats obtenus sont basés sur une analyse innovante et raffinée comparant les données acquises au cours des 11 dernières années par l'instrument principal à bord du Fermi de la NASA, le Fermi Large Area Telescope (LAT), avec des mesures d'autres anomalies astronomiques enregistrées par le détecteur en orbite Pamela et par l'expérience Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) à bord de la Station spatiale internationale. Pamela et AMS sont gérées par des collaborations internationales dans lesquelles l'INFN joue un rôle déterminant.

A partir de 2009, l'année où les mesures de Fermi ont montré un surplus de photons d'énergies égales ou supérieures à 1 GeV (2000 fois la masse d'un électron) provenant du centre de notre galaxie, la communauté astrophysique a tenté d'expliquer les observations de plusieurs manières, y compris la présence possible de milliers de pulsars faibles près du centre galactique et la contribution potentielle des rayons gamma fournie par la matière noire. Ces analyses étaient sujettes à une grande incertitude car elles se référaient à des modèles du bruit de fond gamma dit astrophysique, produite par les rayons cosmiques ou par des sources connues, lequel, bien que capable d'inclure une certaine variabilité, sont sujets à une grande erreur.

Afin de décrire plus précisément les propriétés d'excès de rayons gamma et d'évaluer s'il est réellement compatible avec la matière noire, la nouvelle étude s'est appuyée sur l'ensemble de données le plus large collecté l'année dernière par le LAT, et a utilisé une technique d'analyse qui minimise les incertitudes du fond astrophysique en adoptant plusieurs modèles. « La méthodologie d'analyse utilisée, " explique Mattia di Mauro, « a fourni des informations très pertinentes sur la répartition spatiale des excès de rayonnement gamma, ce qui peut expliquer ce qui génère l'excès de photons de haute énergie dans le centre galactique. Si l'excédent était, par exemple, causée par l'interaction entre les rayons cosmiques et les atomes, on s'attendrait à observer sa plus grande distribution spatiale aux énergies plus basses et sa diffusion plus faible aux énergies plus élevées en raison de la propagation des particules cosmiques. Mes études, d'autre part, souligne que la répartition spatiale de l'excès ne change pas en fonction de l'énergie. Cet aspect n'avait jamais été observé auparavant et pourrait être expliqué par l'interprétation de la présence de matière noire. En effet, nous pensons que les particules composant le halo de matière noire devraient avoir des énergies similaires. L'analyse montre clairement que l'excès de rayons gamma est concentré dans le 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."

Une seconde étude, qui sera publié dans la même revue, examine la validité de l'hypothèse de la matière noire en utilisant les prédictions d'un modèle plus large qui décrit les interactions possibles des particules de cette composante insaisissable de l'univers. Un modèle théorique a démontré comment l'existence de particules de matière noire n'est pas réfutée par d'autres anomalies enregistrées dans le fond astrophysique. Il s'agit notamment de l'excès de positons mesuré par Pamela et AMS-02, si elle est attribuée à un surplus de matière noire, et la non détection des photons de haute énergie des galaxies naines proches de la nôtre, dont les mouvements stellaires impliquent la présence de fortes concentrations de matière noire.

Di Mauro dit, "En partant du modèle physique développé dans cette seconde étude, après avoir considéré différents résultats pour l'interaction et l'annihilation des particules de matière noire, alternatives qui précéderaient la production de photons de haute énergie, nous avons vérifié laquelle de ces possibilités s'accordait le mieux avec les rayons gamma en excès du centre galactique, tout en considérant également le surplus de positons et la non détection des rayons gamma des galaxies naines. Cette comparaison a permis de déduire des propriétés précises de la matière noire, propriétés compatibles avec l'excès du centre galactique et les limites supérieures trouvées avec d'autres données de particules."