Les physiciens du MIT relancent la possibilité, qu'ils avaient auparavant étouffé, qu'un éclat lumineux de rayons gamma au centre de notre galaxie peut être le résultat de la matière noire après tout.

Pendant des années, les physiciens ont connu un mystérieux surplus d'énergie au centre de la Voie lactée, sous forme de rayons gamma, les ondes les plus énergétiques du spectre électromagnétique. Ces rayons sont généralement produits par les rayons les plus chauds, objets les plus extrêmes de l'univers, comme les supernovae et les pulsars.

Les rayons gamma se trouvent à travers le disque de la Voie lactée, et pour la plupart les physiciens comprennent leurs sources. Mais il y a une lueur de rayons gamma au centre de la Voie Lactée, connu comme l'excès du centre galactique, ou GCE, avec des propriétés difficiles à expliquer pour les physiciens étant donné ce qu'ils savent de la répartition des étoiles et des gaz dans la galaxie.

Il y a deux possibilités principales pour ce qui peut produire cet excès :une population de haute énergie, les étoiles à neutrons en rotation rapide appelées pulsars, ou, plus séduisant, un nuage concentré de matière noire, entrer en collision avec lui-même pour produire une surabondance de rayons gamma.

En 2015, une équipe MIT-Université de Princeton, dont le professeur agrégé de physique Tracy Slatyer et les post-doctorants Benjamin Safdi et Wei Xue, s'est prononcé en faveur des pulsars. Les chercheurs avaient analysé les observations du centre galactique prises par le télescope spatial à rayons gamma Fermi, en utilisant un "modèle d'arrière-plan" qu'ils ont développé pour décrire toutes les interactions de particules dans la galaxie qui pourraient produire des rayons gamma. Ils ont conclu, plutôt définitivement, que le GCE était très probablement le résultat de pulsars, et non de la matière noire.

Cependant, dans un nouveau travail, dirigé par la postdoctorante MIT Rebecca Leane, Slatyer a depuis réévalué cette demande. En essayant de mieux comprendre la méthode analytique 2015, Slatyer et Leane ont découvert que le modèle qu'ils utilisaient pouvait en fait être "trompé" pour produire le mauvais résultat. Spécifiquement, les chercheurs ont exécuté le modèle sur des observations réelles de Fermi, comme l'équipe MIT-Princeton l'a fait en 2015, mais cette fois, ils ont ajouté un faux signal supplémentaire de matière noire. Ils ont découvert que le modèle n'avait pas réussi à capter ce faux signal, et alors même qu'ils augmentaient le signal, le modèle a continué à supposer que les pulsars étaient au cœur de l'excès.

Les résultats, publié aujourd'hui dans la revue Lettres d'examen physique , mettre en évidence un « effet de mauvaise modélisation » dans l'analyse de 2015 et rouvrir ce que beaucoup pensaient être un dossier clos.

"C'est excitant dans la mesure où nous pensions avoir éliminé la possibilité qu'il s'agisse de matière noire, " Slatyer dit. " Mais maintenant il y a une échappatoire, une erreur systématique dans la déclaration que nous avons faite. Cela rouvre la porte pour que le signal provienne de la matière noire."

Le centre de la Voie Lactée :granuleux ou lisse ?

Alors que la Voie lactée ressemble plus ou moins à un disque plat dans l'espace, l'excès de rayons gamma en son centre occupe une région plus sphérique, s'étendant sur 5 environ, 000 années-lumière dans toutes les directions depuis le centre galactique.

Dans leur étude de 2015, Slatyer et ses collègues ont développé une méthode pour déterminer si le profil de cette région sphérique est lisse ou « granuleux ». Ils ont pensé que, si les pulsars sont à l'origine de l'excès de rayons gamma, et ces pulsars sont relativement brillants, les rayons gamma qu'ils émettent devraient habiter une région sphérique qui, lorsqu'il est imagé, semble granuleux, avec des espaces sombres entre les points lumineux où se trouvent les pulsars.

Si, cependant, la matière noire est la source de l'excès de rayons gamma, la région sphérique devrait avoir l'air lisse :"Chaque ligne de mire vers le centre galactique a probablement des particules de matière noire, donc je ne devrais pas voir de lacunes ou de points froids dans le signal, " explique Slatyer.

Elle et son équipe ont utilisé un modèle de fond de toute la matière et du gaz de la galaxie, et toutes les interactions de particules qui pourraient se produire pour produire des rayons gamma. Ils ont considéré des modèles pour la région sphérique de la GCE qui étaient granuleux d'une part ou lisses de l'autre, et conçu une méthode statistique pour faire la différence entre eux. Ils ont ensuite introduit dans le modèle des observations réelles de la région sphérique, prise par le télescope Fermi, et regardé pour voir si ces observations correspondent davantage à un profil lisse ou granuleux.

"Nous avons vu que c'était 100 pour cent granuleux, et ainsi nous avons dit, 'Oh, la matière noire ne peut pas faire ça, donc ça doit être autre chose, "" se souvient Slatyer. "J'espérais que ce ne serait que la première de nombreuses études de la région du centre galactique utilisant des techniques similaires. Mais d'ici 2018, les principaux recoupements de la méthode étaient encore ceux que nous avions fait en 2015, ce qui m'a rendu assez nerveux à l'idée que nous ayons peut-être raté quelque chose."

Planter un faux

Après son arrivée au MIT en 2017, Leane s'est intéressé à l'analyse des données de rayons gamma. Slatyer leur a suggéré d'essayer de tester la robustesse de la méthode statistique utilisée en 2015, pour développer une compréhension plus profonde du résultat. Les deux chercheurs ont posé la question difficile :dans quelles circonstances leur méthode s'effondrerait-elle ? Si la méthode a résisté à l'interrogatoire, ils pouvaient être confiants dans le résultat original de 2015. Si, cependant, ils ont découvert des scénarios dans lesquels la méthode s'est effondrée, cela suggérerait que quelque chose n'allait pas dans leur approche, et peut-être que la matière noire pourrait encore être au centre de l'excès de rayons gamma.

Leane et Slatyer ont répété l'approche de l'équipe MIT-Princeton à partir de 2015, mais au lieu d'alimenter les données du modèle Fermi, les chercheurs ont essentiellement dressé une fausse carte du ciel, incluant un signal de matière noire, et des pulsars qui n'étaient pas associés à l'excès de rayons gamma. Ils ont introduit cette carte dans le modèle et ont découvert que, malgré l'existence d'un signal de matière noire dans la région sphérique, le modèle a conclu que cette région était très probablement granuleuse et donc dominée par des pulsars. C'était le premier indice, Slatyer dit, que leur méthode "n'était pas infaillible".

Lors d'une conférence pour présenter leurs résultats à ce jour, Leane a répondu à une question d'un collègue :et si elle ajoutait un faux signal de matière noire combiné à de vraies observations, plutôt qu'avec un faux fond de carte ?

L'équipe a relevé le défi, alimenter le modèle avec les données du télescope Fermi, avec un faux signal de matière noire. Malgré la plante délibérée, leur analyse statistique a encore raté le signal de matière noire et a renvoyé un granuleux, image ressemblant à un pulsar. Même lorsqu'ils ont augmenté le signal de matière noire à quatre fois la taille de l'excès réel de rayons gamma, leur méthode n'a pas réussi à le voir.

« À ce stade, J'étais assez excité, parce que je savais que les implications étaient très importantes - cela signifiait que l'explication de la matière noire était de retour sur la table, " dit Léane.

Elle et Slatyer travaillent pour mieux comprendre le biais de leur approche, et j'espère éliminer ce biais à l'avenir.

"Si c'est vraiment de la matière noire, ce serait la première preuve de l'interaction de la matière noire avec la matière visible par des forces autres que la gravité, " dit Leane. " La nature de la matière noire est l'une des plus grandes questions ouvertes en physique à l'heure actuelle. Identifier ce signal comme de la matière noire peut nous permettre d'enfin révéler l'identité fondamentale de la matière noire. Peu importe ce que l'excès s'avère être, nous apprendrons quelque chose de nouveau sur l'univers."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.