Une interprétation innovante des données de rayons X d'un amas de galaxies pourrait aider les scientifiques à accomplir une quête qu'ils poursuivent depuis des décennies :déterminer la nature de la matière noire.

La découverte implique une nouvelle explication d'un ensemble de résultats obtenus avec l'observatoire à rayons X Chandra de la NASA, XMM-Newton et Hitomi de l'ESA, un télescope à rayons X dirigé par le Japon. Si confirmé par des observations futures, cela peut représenter un grand pas en avant dans la compréhension de la nature du mystérieux, substance invisible qui constitue environ 85 % de la matière de l'univers.

"Nous nous attendons à ce que ce résultat soit soit extrêmement important, soit totalement raté, ", a déclaré Joseph Conlon de l'Université d'Oxford qui a dirigé la nouvelle étude. "Je ne pense pas qu'il y ait un point à mi-chemin lorsque vous cherchez des réponses à l'une des plus grandes questions de la science."

L'histoire de ce travail a commencé en 2014 lorsqu'une équipe d'astronomes dirigée par Esra Bulbul (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics à Cambridge, Mass.) a trouvé un pic d'intensité à une énergie très spécifique dans les observations Chandra et XMM-Newton du gaz chaud dans l'amas de galaxies de Persée.

Cette pointe, ou ligne d'émission, est à une énergie de 3,5 kiloélectronvolts (keV). L'intensité de la raie d'émission de 3,5 keV est très difficile, voire impossible, à expliquer en termes de caractéristiques précédemment observées ou prédites à partir d'objets astronomiques, et donc une origine de matière noire a été suggérée. Bulbul et ses collègues ont également signalé l'existence de la ligne de 3,5 keV dans une étude de 73 autres amas de galaxies utilisant XMM-Newton.

L'intrigue de cette histoire de matière noire s'est épaissie quand seulement une semaine après que l'équipe de Bulbul a soumis son article, un groupe différent, dirigé par Alexey Boyarsky de l'Université de Leiden aux Pays-Bas, ont rapporté des preuves d'une raie d'émission à 3,5 keV dans les observations XMM-Newton de la galaxie M31 et de la périphérie de l'amas de Persée, confirmant le Bulbul et al. résultat.

Cependant, ces deux résultats étaient controversés, avec d'autres astronomes détectant plus tard la ligne de 3,5 keV lors de l'observation d'autres objets, et certains ne parviennent pas à le détecter.

Le débat semblait être résolu en 2016 lorsque Hitomi a spécialement conçu pour observer des caractéristiques détaillées telles que l'émission de raies dans les spectres de rayons X des sources cosmiques, n'a pas réussi à détecter la ligne de 3,5 keV dans l'amas Persée.

"On pourrait penser que lorsque Hitomi n'a pas vu la ligne 3,5 keV que nous aurions juste jeté l'éponge pour cette ligne d'enquête, " a déclaré la co-auteur Francesca Day, aussi d'Oxford. "Au contraire, c'est ici que, comme dans toute bonne histoire, un rebondissement intéressant s'est produit."

Conlon et ses collègues ont noté que le télescope Hitomi avait des images beaucoup plus floues que Chandra, ainsi ses données sur l'amas de Persée sont en fait constituées d'un mélange de signaux de rayons X provenant de deux sources :une composante diffuse de gaz chaud enveloppant la grande galaxie au centre de l'amas et une émission de rayons X à proximité du trou noir supermassif dans cette galaxie. La vision plus nette de Chandra permet de séparer la contribution des deux régions. En capitalisant là-dessus, Bulbul et al. isolé le signal de rayons X du gaz chaud en supprimant les sources ponctuelles de leur analyse, y compris les rayons X de la matière à proximité du trou noir supermassif.

Afin de tester si cette différence était importante, l'équipe d'Oxford a réanalysé les données de Chandra à proximité du trou noir au centre de l'amas de Persée prises en 2009. Ils ont trouvé quelque chose de surprenant :la preuve d'un déficit plutôt que d'un surplus de rayons X à 3,5 keV. Cela suggère que quelque chose dans Persée absorbe les rayons X à cette énergie exacte. Lorsque les chercheurs ont simulé le spectre d'Hitomi en ajoutant cette raie d'absorption à la raie d'émission de gaz chaud vue avec Chandra et XMM-Newton, ils n'ont trouvé aucune preuve dans le spectre additionné d'absorption ou d'émission de rayons X à 3,5 keV, conforme aux observations d'Hitomi.

Le défi est d'expliquer ce comportement :détecter l'absorption de la lumière des rayons X lors de l'observation du trou noir et l'émission de la lumière des rayons X à la même énergie lorsque l'on regarde le gaz chaud à des angles plus grands loin du trou noir.

En réalité, un tel comportement est bien connu des astronomes qui étudient les étoiles et les nuages ​​de gaz avec des télescopes optiques. La lumière d'une étoile entourée d'un nuage de gaz montre souvent des raies d'absorption produites lorsque la lumière d'une étoile d'une énergie spécifique est absorbée par des atomes dans le nuage de gaz. L'absorption fait passer les atomes d'un état d'énergie faible à un état élevé. L'atome retombe rapidement à l'état de basse énergie avec l'émission de lumière d'une énergie spécifique, mais la lumière est réémise dans toutes les directions, produisant une perte nette de lumière à l'énergie spécifique - une raie d'absorption - dans le spectre observé de l'étoile. En revanche, une observation d'un nuage dans une direction éloignée de l'étoile ne détecterait que les réémis, ou une lumière fluorescente à une énergie spécifique, qui apparaîtrait comme une ligne d'émission.

L'équipe d'Oxford suggère dans son rapport que les particules de matière noire peuvent être comme des atomes en ayant deux états d'énergie séparés de 3,5 keV. Si c'est le cas, il serait possible d'observer une raie d'absorption à 3,5 keV en observant à des angles proches de la direction du trou noir, et une raie d'émission lorsque l'on regarde le gaz chaud du cluster à de grands angles loin du trou noir.

"Ce n'est pas un tableau simple à peindre, mais il est possible que nous ayons trouvé un moyen à la fois d'expliquer les signaux de rayons X inhabituels provenant de Persée et de découvrir un indice sur ce qu'est réellement la matière noire, " a déclaré le co-auteur Nicholas Jennings, aussi d'Oxford.

Pour écrire le prochain chapitre de cette histoire, les astronomes auront besoin d'autres observations de l'amas de Persée et d'autres du même genre. Par exemple, plus de données sont nécessaires pour confirmer la réalité de la baisse et exclure une possibilité plus banale, à savoir que nous avons une combinaison d'un effet instrumental inattendu et d'une baisse statistiquement improbable des rayons X à une énergie de 3,5 keV. Chandra, XMM-Newton et les futures missions à rayons X continueront d'observer des amas pour résoudre le mystère de la matière noire.

Un article décrivant ces résultats a été publié dans Examen physique D le 19 décembre 2017 et une préimpression est disponible en ligne.