La matière noire est de plus en plus déroutante. Autour du monde, les physiciens tentent depuis des décennies de déterminer la nature de ces particules de matière, qui n'émettent pas de lumière et sont donc invisibles à l'œil humain. Leur existence a été postulée dans les années 1930 pour expliquer certaines observations astronomiques. En tant que matière visible, comme celui qui compose les étoiles et la Terre, ne constitue que 5% de l'univers, il a été proposé que la matière noire doit représenter 23 pour cent de ce qui existe. Mais à ce jour et malgré des recherches intensives, il s'est avéré impossible d'identifier réellement les particules impliquées. Des chercheurs de l'Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU) ont maintenant présenté une nouvelle théorie de la matière noire, ce qui implique que les particules de matière noire peuvent être très différentes de ce qui est normalement supposé. En particulier, leur théorie implique des particules de matière noire extrêmement légères, presque cent fois plus légères que les électrons, contrairement à de nombreux modèles conventionnels qui impliquent à la place des particules de matière noire très lourdes.

Selon la théorie commune, la matière noire doit exister car sinon les étoiles ne continueraient pas à tourner autour du centre de leurs galaxies comme elles le font en réalité. Parmi les candidats particulièrement privilégiés pour la matière noire figurent les particules massives dites à interaction faible, ou WIMPs. Les chercheurs les recherchent dans le laboratoire souterrain italien du Gran Sasso, par exemple. Mais les publications scientifiques récentes dans le domaine de la physique des astroparticules considèrent de plus en plus qu'il est peu probable que les WIMPs soient des perspectives viables en ce qui concerne la matière noire. "Nous, trop, sont actuellement activement à la recherche d'alternatives possibles, " a déclaré le professeur Joachim Kopp de l'Université de Mayence.

Le physicien, avec ses collègues Vedran Brdar, Jia Liu, et Xiao-Ping Want, a examiné de plus près les résultats des observations réalisées par plusieurs groupes indépendants en 2014. Les groupes ont signalé la présence d'une raie spectrale non détectée auparavant, avec une énergie de 3,5 kiloélectronvolts (keV), dans la lumière des rayons X des galaxies lointaines et des amas de galaxies. Ce rayonnement X inhabituel pourrait offrir un indice sur la nature de la matière noire. Il a déjà été souligné que les particules de matière noire pourraient se désintégrer, émettant ainsi des rayons X. Cependant, L'équipe de Joachim Kopp du pôle d'excellence basé à Mayence en physique de précision, Interactions fondamentales et structure de la matière (PRISMA) adopte une autre approche.

Rayonnement X produit par l'annihilation de la matière noire

Les chercheurs de PRISMA proposent un scénario dans lequel deux particules de matière noire entrent en collision, entraînant leur annihilation mutuelle. C'est analogue à ce qui se passe, par exemple, lorsqu'un électron rencontre son antiparticule, un positron. "On a longtemps supposé qu'il ne serait pas possible d'observer une telle annihilation de la matière noire si elle était constituée de particules aussi lumineuses, " a expliqué Kopp. "Nous avons soumis notre nouveau modèle à un examen minutieux et l'avons comparé avec des données expérimentales, et tout s'emboîte bien mieux que dans le cas des modèles plus anciens."

Selon le modèle de Kopp, les particules de matière noire seraient des fermions d'une masse de quelques kiloélectronvolts seulement, fréquemment appelés neutrinos stériles. Une matière noire aussi légère est généralement considérée comme problématique car elle rend difficile l'explication de la manière dont les galaxies ont pu se former. "Jusque là, nous avons été en mesure de répondre à ces préoccupations, " a expliqué Kopp. " Notre modèle offre une issue élégante. " La supposition que l'annihilation de la matière noire est un processus en deux étapes est d'une importance cruciale dans ce contexte :un état intermédiaire est formé, qui se désintègre plus tard dans les photons de rayons X observés. "Les résultats de nos calculs montrent que la signature radiographique résultante est en étroite corrélation avec les observations et offre ainsi une nouvelle explication pour celles-ci, " a ajouté Kopp.

À la fois, le nouveau modèle lui-même est si général qu'il offrira un point de départ intéressant pour la recherche de la matière noire même s'il s'avère que la raie spectrale découverte en 2014 a une origine différente. Les physiciens théoriques et expérimentaux du JGU travaillent actuellement sur le projet de mission de l'ESA e-ASTROGRAM, qui vise à analyser le rayonnement astrophysique des rayons X avec une précision jamais atteinte auparavant.