La matière noire en décomposition devrait produire un halo lumineux et sphérique d'émission de rayons X autour du centre de la Voie lactée qui pourrait être détectable en regardant dans des régions autrement vierges de la galaxie. Crédit :Rendu artistique par Christopher Dessert, Nicolas L. Rodd, Benjamin R. Safdi, Zosia Rostomian (Laboratoire de Berkeley), sur la base des données du télescope de grande surface Fermi.
Quatre-vingt-cinq pour cent de l'univers est composé de matière noire, mais on ne sait pas quoi, exactement, il est.
Une nouvelle étude de l'Université du Michigan, Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et Université de Californie, Berkeley a exclu que la matière noire soit responsable de mystérieux signaux électromagnétiques précédemment observés à partir de galaxies voisines. Avant ce travail, il y avait de grands espoirs que ces signaux fourniraient aux physiciens des preuves tangibles pour aider à identifier la matière noire.
La matière noire ne peut pas être observée directement car elle n'absorbe pas, réfléchir ou émettre de la lumière, mais les chercheurs savent qu'il existe en raison de l'effet qu'il a sur d'autres matières. Nous avons besoin de matière noire pour expliquer les forces gravitationnelles qui maintiennent les galaxies ensemble, par exemple.
Les physiciens ont suggéré que la matière noire est un cousin étroitement lié au neutrino, appelé le neutrino stérile. Les neutrinos, particules subatomiques sans charge et qui interagissent rarement avec la matière, sont libérés lors de réactions nucléaires qui se déroulent à l'intérieur du soleil. Ils ont une petite quantité de masse, mais cette masse n'est pas expliquée par le modèle standard de physique des particules. Les physiciens suggèrent que le neutrino stérile, une particule hypothétique, pourrait expliquer cette masse et aussi être de la matière noire.
Les chercheurs devraient pouvoir détecter le neutrino stérile car il est instable, dit Ben Safdi, co-auteur et professeur assistant de physique à l'U-M. Il se désintègre en neutrinos ordinaires et en rayonnement électromagnétique. Pour détecter la matière noire, alors, les physiciens scannent les galaxies pour rechercher ce rayonnement électromagnétique sous forme d'émission de rayons X.
En 2014, un travail fondateur a découvert l'émission excessive de rayons X des galaxies et des amas de galaxies proches. L'émission semblait être cohérente avec celle qui résulterait de la décomposition de la matière noire stérile des neutrinos, dit Safdi.
Maintenant, une méta-analyse des données brutes prises par le télescope spatial à rayons X XMM-Newton d'objets dans la Voie lactée sur une période de 20 ans n'a trouvé aucune preuve que le neutrino stérile est ce qui constitue la matière noire. L'équipe de recherche comprend le doctorant de l'UM Christopher Dessert et Nicholas Rodd, un physicien avec le groupe de théorie Berkley Lab et le Berkley Center for Theoretical Physics. Leurs résultats sont publiés dans la revue Science .
"Cet article de 2014 et les travaux de suivi ont confirmé que le signal a suscité un intérêt important dans les communautés de l'astrophysique et de la physique des particules en raison de la possibilité de savoir, pour la première fois, précisément ce qu'est la matière noire au niveau microscopique, " a déclaré Safdi. "Notre découverte ne signifie pas que la matière noire n'est pas un neutrino stérile, mais cela signifie que, contrairement à ce qui a été affirmé en 2014, il n'y a à ce jour aucune preuve expérimentale qui indique son existence. »
Les télescopes spatiaux à rayons X tels que le télescope XMM-Newton, pointez vers des environnements riches en matière noire pour rechercher ce faible rayonnement électromagnétique sous forme de signaux de rayons X. La découverte de 2014 a nommé l'émission de rayons X la "ligne de 3,5 keV" - keV signifie kilo-électronvolts - en raison de l'endroit où le signal est apparu sur les détecteurs de rayons X.
L'équipe de recherche a recherché cette ligne dans notre propre Voie lactée en utilisant 20 ans de données d'archives prises par le télescope spatial à rayons X XMM-Newton. Les physiciens savent que la matière noire s'accumule autour des galaxies, Ainsi, lorsque les analyses précédentes portaient sur les galaxies et les amas de galaxies proches, chacune de ces images aurait capturé une colonne du halo de matière noire de la Voie lactée.
L'équipe a utilisé ces images pour regarder la partie "la plus sombre" de la Voie lactée. Cela a considérablement amélioré la sensibilité des analyses précédentes à la recherche de matière noire de neutrinos stériles, dit Safdi.
« Partout où nous regardons, il devrait y avoir un flux de matière noire du halo de la Voie lactée, " a déclaré Rodd du Berkeley Lab, à cause de la position de notre système solaire dans la galaxie. "Nous avons exploité le fait que nous vivons dans un halo de matière noire" dans l'étude.
Christophe Dessert, un co-auteur de l'étude qui est chercheur en physique et titulaire d'un doctorat. étudiant à U-M, lesdits amas de galaxies où la raie de 3,5 keV a été observée ont également de grands signaux de fond, qui servent de bruit dans les observations et peuvent rendre difficile l'identification de signaux spécifiques pouvant être associés à la matière noire.
"La raison pour laquelle nous regardons à travers le halo de matière noire galactique de notre galaxie de la Voie lactée est que l'arrière-plan est beaucoup plus bas, " Dit Dessert.
Par exemple, XMM-Newton a pris des images d'objets isolés comme des étoiles individuelles dans la Voie lactée. Les chercheurs ont pris ces images et masqué les objets d'intérêt original, laissant des environnements vierges et sombres dans lesquels rechercher la lueur de la décomposition de la matière noire. La combinaison de 20 ans de telles observations a permis de sonder la matière noire stérile des neutrinos à des niveaux sans précédent.
Si les neutrinos stériles étaient de la matière noire, et si leur décroissance conduisait à une émission de la raie 3,5 keV, Safdi et ses collègues chercheurs auraient dû observer cette ligne dans leur analyse. Mais ils n'ont trouvé aucune preuve de la matière noire stérile des neutrinos.
« Pendant que ce travail fait, Malheureusement, jeter de l'eau froide sur ce qui ressemblait à ce qui aurait pu être la première preuve de la nature microscopique de la matière noire, cela ouvre une toute nouvelle approche de la recherche de matière noire qui pourrait conduire à une découverte dans un proche avenir, ", a déclaré Safdi.
