Preuves par rayons gamma de matière noire éclairées par une volée de pulsars

Il n'y a pas si longtemps, j'ai assisté à une conférence de physique générale où le télescope de grande surface Fermi a suscité beaucoup d'enthousiasme. Fermi a observé un rayonnement de haute énergie du centre galactique et a découvert un excès difficile à expliquer. Serait-ce un signe tant attendu de la matière noire? Les premiers calculs semblaient prometteurs.

Maintenant, il semble que le signal pourrait être dû à des pulsars et non à de la matière noire.

Qu'est-ce que Fermi a vu?

Le télescope Fermi surveille le ciel pour détecter les rayons gamma. Ce sont des photons dont l’énergie varie de 10 millions d’électron volts (eV) à environ 300 milliards d’eV. À titre de comparaison, la lumière dans le visible est inférieure à 10 eV, alors qu'un appareil à rayons X standard dans un hôpital dispose de photons d'une énergie d'environ 2 000 eV. Les rayons gamma sont donc des photons très puissants.

La création de photons gamma nécessite évidemment beaucoup d’énergie. Nous parlons de fusion nucléaire et de fission ou de champs magnétiques extrêmement élevés. En effet, vous ne trouvez que des champs magnétiques suffisamment puissants pour faire pénétrer les rayons gamma autour des trous noirs, des pulsars et des magnétars.

Mais lorsque Fermi a tourné son regard vers le centre galactique, il a fallu l’équiper de lunettes de soleil gamma. L'émission de rayons gamma d'énergies voisines de 50 GeV était un peu plus brillante que prévu. Pour rendre la situation encore plus confuse, il n’existait aucune source évidente pour les rayons gamma.

Attendez, l'espace n'est-il pas du genre vide?

Il est important de réaliser que le centre de la galaxie est chaud et relativement dense. Cela fait de la visualisation du centre un peu comme regarder dans un brouillard. Nous pouvons voir la lumière, mais nous ne pouvons pas toujours voir d'où elle vient. Pour être plus précis, pour les photons de haute énergie, le centre galactique est chaud et dense, tandis que pour les photons de basse énergie, le centre galactique est beaucoup plus transparent.

Donc, voir une lueur diffuse de rayons gamma n’était pas si surprenant puisque nous nous attendons à ce que les énergies se dégradent. Mais nous pouvons mesurer l'énergie totale, et nous avons une assez bonne idée de ce que cela devrait être puisque nous savons ce qu'il y a dans le centre galactique à partir d'autres études sur des télescopes.

Le problème avec les données de Fermi est que les deux ensembles d'observations n'ont tout simplement pas semblé s'additionner. La densité élevée du centre galactique explique également pourquoi la matière noire était un candidat si prometteur. La matière noire n'interagit que rarement, mais le cœur de la Voie lactée est l'endroit où la matière noire est la plus dense et a le plus de chances de se révéler par une sorte de processus émettant de la lumière.

Encore plus excitant, la lueur brillante des rayons gamma s’adapte assez bien à la matière noire qui est annihilée en une paire de quarks de matière / antimatière. Ceux-ci seraient alors en collision les uns avec les autres et disparaissent dans une bouffée de fumée de rayons gamma. Et juste pour que le jus coule vraiment: la distribution spatiale de la lueur des rayons gamma était assez proche de la distribution attendue de la matière noire.

Nous étions tous très excités.

La réalité blesse

Les rayons gamma supplémentaires présentaient une autre caractéristique intrigante: la plage d’énergie (ou spectre) sur laquelle ils sont observés est très similaire à celle émise par des pulsars de la milliseconde.

Pour vérifier si ce lien avait une signification, un groupe de chercheurs s’est servi de ce qu’ils savaient de la forme des centres galactiques et l’avaient utilisée pour modéliser le spectre des rayons gamma. Comme ils le déclarent dans le journal, le centre de la galaxie contient un «renflement / barre en forme de cacahuète». Cela n'avait pas été pris en compte dans les calculs précédents.

La taille et la masse de l'arachide au centre de la galaxie sont relativement bien mesurées, bien que la distribution des étoiles (par exemple, les types d'étoiles et leurs emplacements exacts) dans la forme soit moins bien connue. Le nombre de pulsars millisecondes est encore moins connu. Les chercheurs ont donc utilisé un modèle récemment développé pour calculer le spectre des rayons gamma et la distribution spatiale attendus à partir du centre de la galaxie avec différentes distributions d'étoiles.

Ils ont montré qu'ils pouvaient correspondre aux observations du télescope Fermi en utilisant des pulsars millisecondes. Leur modèle produit également des densités de masse qui correspondent aux observations du centre de la galaxie. De plus, l'ajustement est meilleur que celui obtenu avec la matière noire. Cette combinaison de résultats donne aux chercheurs l'assurance que leur explication est plus probable que l'annihilation par la matière noire.

Un point critique est que cela prend beaucoup de pulsars millisecondes: environ dix fois plus par unité de masse que ce qui est observé dans le disque galactique. Cependant, les chercheurs n’ont pas voulu savoir si cette augmentation de pulsars en millisecondes au centre de la galaxie était attendue.

L’essentiel est qu’il existe une convergence de preuves indiquant que les pulsars plutôt que la matière noire sont l’explication la plus probable. Le prochain point de données critique sera la densité de pulsars de la milliseconde, et il faudra attendre la mise en service de la rangée de kilomètres carrés ou des radiotélescopes meerKAT.

Nature Astronomie, 2018, DOI: 10.1038 / s41550-018-0531-z, (À propos des DOI).