Une mystérieuse lueur de rayons gamma au centre de la Voie lactée est probablement causée par des pulsars - les incroyablement denses, des noyaux en rotation rapide d'étoiles anciennes effondrées qui étaient jusqu'à 30 fois plus massives que le soleil. C'est la conclusion d'une nouvelle analyse d'une équipe internationale d'astrophysiciens, y compris des chercheurs du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie. Les résultats jettent le doute sur les interprétations précédentes du signal en tant que signe potentiel de matière noire – une forme de matière qui représente 85 % de toute la matière de l'univers mais qui jusqu'à présent a échappé à la détection.

"Notre étude montre que nous n'avons pas besoin de matière noire pour comprendre les émissions de rayons gamma de notre galaxie, " a déclaré Mattia Di Mauro du Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC), un institut conjoint de l'Université de Stanford et du SLAC. "Au lieu, nous avons identifié une population de pulsars dans la région autour du centre galactique, qui jette un nouvel éclairage sur l'histoire de la formation de la Voie lactée."

Di Mauro a dirigé l'analyse de la collaboration Fermi LAT, une équipe internationale de chercheurs qui a examiné la lueur avec le Large Area Telescope (LAT) sur le Fermi Gamma-ray Space Telescope de la NASA, qui orbite autour de la Terre depuis 2008. Le LAT – un « œil » sensible aux rayons gamma, la forme de lumière la plus énergétique – a été conçue et assemblée au SLAC, qui héberge également son centre d'opérations.

Les conclusions de la collaboration, soumis au Journal d'astrophysique pour publication, sont disponibles en préimpression.

Une lueur mystérieuse

La matière noire est l'un des plus grands mystères de la physique moderne. Les chercheurs savent que la matière noire existe parce qu'elle dévie la lumière des galaxies lointaines et affecte la façon dont les galaxies tournent. Mais ils ne savent pas de quoi est faite la substance. La plupart des scientifiques pensent qu'il est composé de particules encore à découvrir qui n'interagissent presque jamais avec la matière ordinaire autrement que par gravité, ce qui rend leur détection très difficile.

Une façon dont les instruments scientifiques peuvent apercevoir des particules de matière noire est lorsque les particules se désintègrent ou entrent en collision et se détruisent les unes les autres. "Des théories largement étudiées prédisent que ces processus produiraient des rayons gamma, " dit Seth Digel, chef du groupe Fermi du KIPAC. "Nous recherchons ce rayonnement avec le LAT dans les régions de l'univers riches en matière noire, comme le centre de notre galaxie."

Des études antérieures ont en effet montré qu'il y a plus de rayons gamma provenant du centre galactique que prévu, alimentant certains articles scientifiques et rapports des médias qui suggèrent que le signal pourrait faire allusion à des particules de matière noire recherchées depuis longtemps. Cependant, les rayons gamma sont produits dans un certain nombre d'autres processus cosmiques, ce qui doit être écarté avant de pouvoir tirer une quelconque conclusion sur la matière noire. Ceci est particulièrement difficile car le centre galactique est extrêmement complexe, et les astrophysiciens ne connaissent pas tous les détails de ce qui se passe dans cette région.

La plupart des rayons gamma de la Voie lactée proviennent du gaz entre les étoiles qui est éclairé par des rayons cosmiques - des particules chargées produites lors de puissantes explosions d'étoiles, appelées supernovae. Cela crée une lueur gamma diffuse qui s'étend dans toute la galaxie. Les rayons gamma sont également produits par les restes de supernova, des pulsars – des étoiles effondrées qui émettent des « faisceaux » de rayons gamma comme des phares cosmiques – et des objets plus exotiques qui apparaissent comme des points lumineux.

"Deux études récentes menées par des équipes aux États-Unis et aux Pays-Bas ont montré que l'excès de rayons gamma au centre galactique est tacheté, pas lisse comme on pourrait s'y attendre pour un signal de matière noire, " a déclaré Eric Charles de KIPAC, qui a contribué à la nouvelle analyse. "Ces résultats suggèrent que les taches peuvent être dues à des sources ponctuelles que nous ne pouvons pas voir comme des sources individuelles avec le LAT car la densité des sources de rayons gamma est très élevée et la lueur diffuse est la plus brillante au centre galactique."

Restes d'étoiles anciennes

La nouvelle étude porte les analyses précédentes au niveau supérieur, démontrant que le signal de rayons gamma moucheté est cohérent avec les pulsars.

« Considérant qu'environ 70 % de toutes les sources ponctuelles de la Voie lactée sont des pulsars, ils étaient les candidats les plus probables, " dit Di Mauro. "Mais nous avons utilisé l'une de leurs propriétés physiques pour arriver à notre conclusion. Les pulsars ont des spectres très distincts, c'est-à-dire leurs émissions varient de manière spécifique avec l'énergie des rayons gamma qu'ils émettent. En utilisant la forme de ces spectres, nous avons pu modéliser correctement la lueur du centre galactique avec une population d'environ 1, 000 pulsars et sans introduire de processus impliquant des particules de matière noire."

L'équipe prévoit maintenant des études de suivi avec des radiotélescopes pour déterminer si les sources identifiées émettent leur lumière sous la forme d'une série de brèves impulsions lumineuses - la marque qui donne leur nom aux pulsars.

Les découvertes dans le halo d'étoiles autour du centre de la galaxie - la partie la plus ancienne de la Voie lactée - révèlent également des détails sur l'évolution de notre maison galactique, tout comme les vestiges antiques enseignent aux archéologues l'histoire de l'humanité.

"Les pulsars isolés ont une durée de vie typique de 10 millions d'années, qui est beaucoup plus court que l'âge des plus vieilles étoiles proches du centre galactique, " a déclaré Charles. " Le fait que nous puissions encore voir les rayons gamma de la population de pulsars identifiée aujourd'hui suggère que les pulsars sont dans des systèmes binaires avec des étoiles compagnons, d'où ils extraient de l'énergie. Cela prolonge considérablement la durée de vie des pulsars."

La matière noire reste insaisissable

Les nouveaux résultats s'ajoutent à d'autres données qui remettent en question l'interprétation de l'excès de rayons gamma en tant que signal de matière noire.

"Si le signal était dû à la matière noire, nous nous attendrions à le voir aussi au centre d'autres galaxies, " Digel a déclaré. "Le signal devrait être particulièrement clair dans les galaxies naines en orbite autour de la Voie lactée. Ces galaxies ont très peu d'étoiles, n'ont généralement pas de pulsars et sont maintenus ensemble parce qu'ils contiennent beaucoup de matière noire. Cependant, nous ne voyons aucune émission significative de rayons gamma de leur part."

Les chercheurs pensent qu'une forte lueur gamma récemment découverte au centre de la galaxie d'Andromède, la grande galaxie la plus proche de la Voie lactée, peut également être causée par des pulsars plutôt que par la matière noire.

Mais le dernier mot n'a peut-être pas été prononcé. Bien que l'équipe Fermi-LAT ait étudié une vaste zone de 40 degrés sur 40 degrés autour du centre galactique de la Voie lactée (le diamètre de la pleine lune est d'environ un demi-degré), la densité extrêmement élevée des sources dans les quatre degrés les plus à l'intérieur rend très difficile de voir les sources individuelles et exclut une douceur, distribution des rayons gamma de type matière noire, laissant peu de place aux signaux de matière noire pour se cacher.

Ce travail a été financé par la NASA et le DOE Office of Science, ainsi que des agences et instituts en France, Italie, Japon et Suède.