À la simple évocation de ces deux mots « matière noire », l’esprit des plus grands astrophysiciens se heurte à la plus grande absente de la physique moderne. Complètement invisible à nos télescopes, on ne peut que la repérer grâce aux déformations de l’espace-temps qu’elle provoque. Nous pourrions pourtant dire qu’elle est la charpente de notre Univers, représentant 85 % de la matière qu’il contient (le reste étant la matière ordinaire, celle que nous connaissons) ; ce qui rend d’autant plus frustrant le fait qu’elle se soit toujours soustraite à nos instruments.
C’est pourquoi le halo gamma détecté par Fermi autour du centre galactique fait autant de bruit : un surplus de photons (particules élémentaires de la lumière) d’une densité énergétique exceptionnelle. Rendu public ce 25 novembre dans la revue Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, par une équipe de chercheurs japonais, il apparaît exactement là où la densité de matière noire théorique atteint son maximum. Peut-être l’avons-nous repéré pour la première fois par la lumière qu’elle produit, et non par son action gravitationnelle, comme les modèles l’avaient toujours prévu ?
Un signal lumineux qui défie toutes nos explications
La lueur captée par le téléecope Fermi n’est pas une lumière au sens strict du terme : il s’agit de photons gamma, des particules de lumière mille milliards de fois plus énergétiques que celles du spectre visible, produites uniquement lors de phénomènes parmi les plus violents de l’Univers. Il se trouve que certaines théories suggèrent que la rencontre entre deux particules de matière noire peut conduire à leur disparition en libérant un éclair de photons gamma (nous y reviendrons en seconde partie). Une signature énergétique correspondant justement à ce que Fermi a détecté.
Ce flux gamma (tenez-vous bien !) équivaut à 20 milliards d’électronvolts (20GeV), soit 10 000 fois plus que ceux produits lors des désintégrations radioactives naturelles qui se produisent sur Terre. C’est bien le signe que la source qui l’a produit est soit très intense, ou extrêmement rare, et qu’elle est incompatible avec les phénomènes astrophysiques que l’on a l’habitude d’observer.
Il avait la forme d’un halo, une auréole diffuse entourant la Voie lactée, comme une chape lumineuse. Or, les astrophysiciens savent parfaitement est le portrait-robot théorique de la matière noire : une gigantesque bulle, centrée sur le noyau galactique. Les trous noirs, les étoiles à neutrons ou les supernovas, ne peuvent produire une telle émission gamma, dont les sources sont plus localisées et bien moins étendues.
Pour les chercheurs, et notamment Tomonori Totani, l’auteur principal de l’étude, il est trop improbable que cette similitude entre la répartition des photons gamma et la carte de densité théorique de la matière soit une simple coïncidence. Cette géométrie si particulière ne peut être qu’une structure gravitationnelle que seule la matière noire est censée former.
Les WIMPs : une théorie vieille de 50 ans refait surface
Depuis les années 1970, l’une des hypothèses les plus solides pour expliquer l’existence de la matière noire est la théorie des WIMPs (Weakly interacting massive particles). Des particules hypothtiques des milliers de fois plus lourdes qu’un électron et capables de traverser la matière ordinaire comme si elle n’existait pas.
L’analyse de Totani et son équipe est complètement compatible avec ce cadre théorique, car nos modèles prévoient que lorsque deux WIMPs se rencontrent, elles peuvent s’annihiler : leur masse disparaît pour être convertie en un petit nombre de particules beaucoup plus énergétiques, dont des photons gamma.
Le sursaut gamma captée par Fermi présente justement l’énergie caractéristique que ce type d’annihilation devrait libérer : un photon d’environ 20 GeV, pouvant résulter de la disparition complète de la masse de deux WIMPs dans les régions où leur densité est maximale.
« Si cela se confirme, ce serait la première fois que l’humanité voit directement la matière noire. Et cela indiquerait qu’il s’agit d’une particule nouvelle, absente du modèle standard », explique Totani. Pourquoi le chercheur n’est-il pas entièrement sûr à propos de l’analyse qu’ils ont fourni ?
S’il garde une certaine réserve, c’est parce que les données de Fermi ne permettent pas encore d’exclure totalement des sources alternatives (pulsars inconnus, éjections de trous noirs, collision de rayons cosmiques avec le gaz interstellaire, anciennes supernovas, etc.). Le centre galactique est une région très chaotique où de nombreux processus extrêmes s’entremêlent continuellement, d’où la nécessité de réduire au maximum les incertitudes liées à chaque source potentielle de rayonnement.
Par conséquent, d’autres jeux de données devront être croisées afin de confirmer l’hypothèse de l’équipe. « Si ce signal apparaît de façon plus nette à mesure que Fermi accumule de nouvelles données, cela renforcerait très clairement l’idée qu’il provient de la matière noire », estime Totani. Quoiqu’il en soit, jamais nous n’avons été aussi proche de compléter l’intuition formulée dès 1933 par Fritz Zwicky et consolidée dans les années 1970 par Vera Rubin. Deux pionniers qui étaient convaincus que la matière visible ne suffisaient pas à décrire le mouvement des galaxies si l’on ne postulait pas l’existence d’une composante invisible. Rien ne nous permet encore de valider pleinement cette interprétation, mais si le signal enregistré par Fermi correspondait effectivement au processus d’annihilation, la matière noire pourrait enfin être intégrée à nos modèles théoriques. La longue quête de l’astrophisyique moderne prendrait fin, mais elle ne serait, finalement, que le commencement d’un nouvel âge d’or de la physique fondamentale.
- Des astrophysiciens japonais ont détecté un rayonnement gamma inhabituel au centre de la Voie lactée, avec une énergie et une forme qui correspondent précisément à ce que prévoient les modèles de matière noire.
- Ce signal pourrait provenir de l’annihilation de particules massives hypothétiques, mais plusieurs phénomènes astrophysiques classiques pourraient encore l’expliquer.
- Si de nouvelles données confirment cette piste, il s’agirait d’un tournant historique : la première observation directe de cette composante invisible qui structure les galaxies.
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