Les astrophysiciens ont fait un pas de plus vers la compréhension de l'origine d'une faible lueur de rayons gamma couvrant le ciel nocturne. Ils ont découvert que cette lumière est plus brillante dans les régions contenant beaucoup de matière et plus faible où la matière est plus clairsemée, une corrélation qui pourrait les aider à affiner les propriétés des objets astrophysiques exotiques et de la matière noire invisible.

La lueur, connu sous le nom de fond de rayons gamma non résolu, provient de sources si faibles et si lointaines que les chercheurs ne peuvent pas les identifier individuellement. Encore, le fait que les emplacements d'où proviennent ces rayons gamma correspondent à l'endroit où se trouve la masse dans l'univers lointain pourrait être une pièce clé du puzzle pour identifier ces sources.

"L'arrière-plan est la somme de beaucoup de choses "là-bas" qui produisent des rayons gamma. Avoir pu mesurer pour la première fois sa corrélation avec les lentilles gravitationnelles - de minuscules distorsions d'images de galaxies lointaines produites par la distribution de matière - aide nous les démêler, " a déclaré Simone Ammazzalorso de l'Université de Turin et de l'Institut national de physique nucléaire (INFN) en Italie, qui a codirigé l'analyse.

L'étude a utilisé un an de données de la Dark Energy Survey (DES), qui prend des images optiques du ciel, et neuf ans de données du télescope spatial à rayons gamma Fermi, qui observe les rayons gamma cosmiques en orbite autour de la Terre.

"Ce qui est vraiment intriguant, c'est que la corrélation que nous avons mesurée ne correspond pas complètement à nos attentes, " a déclaré Daniel Gruen, membre de Panofsky, de l'Institut Kavli d'astrophysique et de cosmologie des particules (KIPAC) du Laboratoire national de l'accélérateur SLAC du Département de l'énergie et de l'Université de Stanford, qui a dirigé l'analyse pour la collaboration DES. « Cela pourrait signifier que nous devons soit ajuster nos modèles existants pour les objets qui émettent des rayons gamma, ou cela pourrait faire allusion à d'autres sources, comme la matière noire."

L'étude a été acceptée aujourd'hui pour publication dans Lettres d'examen physique .

Deux "yeux" sensibles sur le ciel

Rayonnement gamma, la forme de lumière la plus énergétique, est produit dans un large éventail de phénomènes cosmiques, souvent extrêmement violents, comme les étoiles qui explosent, des étoiles à neutrons denses tournant à grande vitesse et de puissants faisceaux de particules jaillissant de galaxies actives dont les trous noirs supermassifs centraux engloutissent la matière.

Une autre source potentielle est la matière noire invisible, qui est censé représenter 85 pour cent de toute la matière de l'univers. Il pourrait produire des rayons gamma lorsque des particules de matière noire se rencontrent et se détruisent dans l'espace.

Le Large Area Telescope (LAT) à bord du vaisseau spatial Fermi est un « œil » très sensible aux rayonnements gamma, et ses données fournissent une carte détaillée des sources de rayons gamma dans le ciel.

Mais quand les scientifiques soustraient toutes les sources qu'ils connaissent déjà, leur carte est loin d'être vide; il contient encore un fond de rayons gamma dont la luminosité varie d'une région à l'autre.

"Malheureusement, les rayons gamma n'ont pas d'étiquette qui nous dise d'où ils viennent, " dit Gruen. " C'est pourquoi nous avons besoin d'informations supplémentaires pour découvrir leur origine. "

C'est là qu'intervient DES. Avec sa caméra Dark Energy de 570 mégapixels, monté sur le télescope Victor M. Blanco de 4 mètres à l'observatoire interaméricain Cerro Tololo au Chili, il prend des images de centaines de millions de galaxies. Leurs formes exactes indiquent aux chercheurs comment l'attraction gravitationnelle de la matière courbe la lumière dans l'univers - un effet qui se manifeste par de minuscules distorsions dans les images des galaxies, connu sous le nom de lentille gravitationnelle faible. Sur la base de ces données, les chercheurs du DES créent les cartes les plus détaillées à ce jour de la matière dans le cosmos.

Dans la nouvelle étude, les scientifiques ont superposé les cartes Fermi et DES, qui a révélé que les deux ne sont pas indépendants. Le fond gamma non résolu est plus intense dans les régions avec plus de matière et moins intense dans les régions avec moins de matière.

"Le résultat lui-même n'est pas surprenant. Nous nous attendons à ce qu'il y ait plus de processus de production de rayons gamma dans les régions qui contiennent plus de matière, et nous prévoyons cette corrélation depuis un certain temps, " a déclaré Nicolao Fornengo, l'un des superviseurs d'Ammazzlorso à Turin. « Mais maintenant, nous avons réussi à détecter cette corrélation pour la première fois, et nous pouvons l'utiliser pour comprendre ce qui cause le bruit de fond des rayons gamma."

Indice potentiel sur la matière noire

L'une des sources les plus probables de la lueur gamma sont les blazars très éloignés, des galaxies actives avec des trous noirs supermassifs en leur centre. Alors que les trous noirs avalent la matière environnante, ils crachent des jets à grande vitesse de plasma et de rayons gamma qui, si les jets pointent vers nous, sont détectés par la sonde Fermi.

Blazars serait l'hypothèse la plus simple, mais les nouvelles données suggèrent qu'une simple population de blazars pourrait ne pas suffire à expliquer la corrélation observée entre les rayons gamma et la distribution de masse, les chercheurs ont dit.

"En réalité, nos modèles d'émissions de blazars peuvent assez bien expliquer la partie basse énergie de la corrélation, mais nous voyons des écarts pour les rayons gamma de haute énergie, " a déclaré Gruen. "Cela peut signifier plusieurs choses :cela pourrait indiquer que nous devons améliorer nos modèles pour les blazars ou que les rayons gamma pourraient provenir d'autres sources."

L'une de ces autres sources pourrait être la matière noire. Une théorie de premier plan prédit que la substance mystérieuse est constituée de particules massives interagissant faiblement, ou WIMPs, qui pourraient s'annihiler en un éclair de rayons gamma lors de leur collision. Les rayons gamma de certaines régions cosmiques riches en matière pourraient donc provenir de ces interactions de particules.

L'idée de rechercher des signatures gamma des WIMPs annihilants n'est pas nouvelle. Au cours des dernières années, les scientifiques les ont recherchés dans divers endroits censés contenir beaucoup de matière noire, y compris le centre de la Voie lactée et les galaxies compagnes de la Voie lactée. Cependant, ces recherches n'ont pas encore produit de signaux identifiables de matière noire. Les nouveaux résultats pourraient être utilisés pour des recherches supplémentaires qui testent l'hypothèse WIMP.

Planification des prochaines étapes

Bien que la probabilité que la corrélation mesurée ne soit qu'un effet aléatoire n'est que d'environ une sur mille, les chercheurs ont besoin de plus de données pour une analyse concluante.

« Ces résultats, reliant pour la première fois nos cartes des rayons gamma et de la matière, sont très intéressants et ont beaucoup de potentiel, mais pour le moment la connexion est encore relativement faible, et il faut interpréter les données avec soin, " a déclaré la directrice du KIPAC, Risa Wechsler, qui n'a pas participé à l'étude.

L'une des principales limites de l'analyse actuelle est la quantité de données de lentilles disponibles, dit Gruen. "Avec les données de 40 millions de galaxies, DES a déjà poussé cela à un nouveau niveau, et c'est pourquoi nous avons pu faire l'analyse en premier lieu. Mais nous avons besoin de mesures encore meilleures, " il a dit.

Avec sa prochaine publication de données, DES fournira des données de lentilles pour 100 millions de galaxies, et le futur Large Synoptic Survey Telescope (LSST) examinera des milliards de galaxies dans une région beaucoup plus vaste du ciel.

"Notre étude démontre avec des données réelles que nous pouvons utiliser la corrélation entre les distributions de la matière et des rayons gamma pour en savoir plus sur les causes du bruit de fond des rayons gamma, " Fornengo a déclaré. "Avec plus de données DES, LSST en ligne et d'autres projets comme le télescope spatial Euclid à l'horizon, nous pourrons approfondir notre compréhension des sources potentielles."

Puis, les scientifiques pourraient être en mesure de dire si une partie de cette lueur gamma provient de l'autodestruction de la matière noire.

DES est un projet international avec plus de 400 scientifiques de 25 institutions dans 7 pays, qui se sont réunis pour réaliser l'enquête. Certaines parties du projet ont été financées par l'Office of Science du DOE et la National Science Foundation. Le télescope spatial Fermi Gamma-ray de la NASA est un observatoire spatial international et multi-agences. L'analyse a utilisé les données Fermi-LAT qui ont été rendues publiques par la collaboration internationale LAT.