Un possible premier signal direct de la matière noire

Après un siècle d'indices indirects, la matière noire pourrait-elle enfin avoir été observée ?

Depuis près de cent ans, les astronomes déduisent l'existence de la matière noire à partir de ses empreintes gravitationnelles : courbes de rotation des galaxies, lentilles gravitationnelles et structure à grande échelle. Cette semaine, une nouvelle analyse des données du télescope spatial à rayons gamma Fermi de la NASA a relancé le débat en signalant un excès de rayons gamma à haute énergie en forme de halo autour du centre galactique. L'auteur soutient que cet excès est compatible avec l'annihilation de particules massives interagissant faiblement (WIMPs), un candidat de premier plan pour la matière noire.

Ce qu'a fait Totani — et pourquoi cela se distingue

L'équipe a retraité 15 ans de données Fermi-LAT sur une large région du ciel hors du plan galactique, en construisant des cartes et en les ajustant avec une combinaison de composantes connues : sources ponctuelles cataloguées, modèles d'interactions de rayons cosmiques (GALPROP), grandes structures étendues telles que les bulles de Fermi et la Boucle I (Loop I), et un fond isotrope. Après avoir supprimé ces contributions, ils ont trouvé une composante résiduelle présentant un profil radial à symétrie sphérique et un pic spectral prononcé autour de 20 GeV. Le résidu est faible par rapport à l'émission brillante du plan galactique, mais persiste malgré divers choix de modélisation, rapporte l'auteur.

Les chiffres qui comptent

L'interprétation la plus probante en termes d'annihilation de matière noire privilégie des masses de particules de l'ordre de 0,5 à 0,8 TeV et une section efficace d'annihilation de l'ordre de 5 à 8 × 10⁻²⁵ cm³ s⁻¹ pour une annihilation en quarks bottom. Totani et ses co-auteurs soulignent que, bien que cette section efficace soit supérieure à la référence canonique du vestige thermique (~3 × 10⁻²⁶ cm³ s⁻¹) et au-dessus de nombreuses limites issues des observations de galaxies naines, les incertitudes sur le profil de densité interne de la Voie lactée et les choix systématiques de modélisation signifient que l'hypothèse de la matière noire ne peut pas encore être écartée.

Pourquoi la plupart des chercheurs resteront prudents

Les affirmations extraordinaires exigent un examen extraordinaire. Les excès de rayons gamma vers le centre galactique ont une longue histoire — notamment l'excès dit « GeV » débattu depuis plus d'une décennie — et des explications astrophysiques telles que des populations de pulsars non résolues ou des interactions de rayons cosmiques mal modélisées ont été maintes fois proposées. Des observateurs indépendants soulignent deux préoccupations immédiates : premièrement, la section efficace d'annihilation trouvée par Totani est plus grande que les limites supérieures strictes fixées par les analyses conjointes des galaxies naines sphéroïdales, qui sont des cibles relativement propres et dominées par la matière noire ; deuxièmement, toute interprétation par la matière noire devrait idéalement reproduire un signal cohérent dans d'autres environnements riches en matière noire. Ces tensions maintiennent l'affirmation au stade provisoire.

D'où vient la tension

Les galaxies naines sphéroïdales orbitant autour de la Voie lactée sont depuis longtemps l'étalon-or pour la recherche de matière noire par rayons gamma, car elles présentent des rapports masse/luminosité élevés et peu de sources de rayons gamma astrophysiques. Des analyses combinées de plusieurs observatoires de rayons gamma ont placé des limites étroites sur les sections efficaces d'annihilation sur une large gamme de masses ; un signal nécessitant une section efficace d'un ordre de grandeur supérieur à ces limites suscite naturellement des doutes. L'article de Totani aborde cette tension en explorant les incertitudes du profil de densité de la Voie lactée et en notant que les différences systématiques de modélisation peuvent modifier la section efficace déduite, mais la tension est réelle et sera au cœur des efforts de vérification.

Qu'est-ce qui renforcerait ou infirmerait cette interprétation ?

• Réanalyse indépendante des données Fermi : des équipes utilisant différents modèles de fond, sélections d'événements ou pipelines d'analyse doivent retrouver le même résidu en forme de halo pour renforcer la confiance.
• Détection dans d'autres cibles : observer une signature spectrale correspondante dans des galaxies naines, des amas de galaxies ou des sous-halos sombres constituerait une corroboration puissante.
• Confirmation par d'autres instruments : les télescopes Tcherenkov au sol et le Cherenkov Telescope Array (CTA) de nouvelle génération disposent d'une couverture énergétique et d'une résolution angulaire complémentaires ; ils pourraient confirmer ou infirmer cette caractéristique spectrale. De même, les futurs travaux de Fermi et les études multi-longueurs d'onde seront déterminants.
• Cohérence avec la physique des particules : la masse de la particule et le taux d'annihilation impliqués devraient s'insérer dans les contraintes de laboratoire et cosmologiques, ou motiver un nouveau modèle de particule crédible expliquant le taux requis sans entrer en conflit avec d'autres données.

Pourquoi cela serait transformateur — si c'est confirmé

Une détection convaincante de l'annihilation de la matière noire ferait plus que compléter une page manquante de la cosmologie : elle identifierait une nouvelle particule fondamentale au-delà du modèle standard, ouvrirait un pont entre l'astrophysique et la physique des particules, et orienterait les expériences dans les collisionneurs et les installations de détection directe vers des masses cibles et des forces d'interaction concrètes. C'est pourquoi la communauté exigera des preuves de haut niveau. Les enjeux sont énormes, tout comme les obstacles.

En résumé

L'analyse de Totani présente un cas intrigant et soigneusement structuré en faveur d'un excès de rayons gamma de 20 GeV en forme de halo compatible avec l'annihilation de WIMPs, mais elle ne tranche pas encore la question. Le résultat est un signal candidat sérieux qui déclenchera de nouvelles réanalyses, des recherches ciblées dans les galaxies naines et des observations par d'autres installations de rayons gamma. Au cours des prochains mois — et surtout à mesure que des équipes indépendantes vérifieront les données et que les instruments à venir sonderont le même régime énergétique — nous saurons s'il s'agit du premier aperçu tant attendu de la matière noire ou d'une autre des énigmes astrophysiques tenaces de l'Univers.

James Lawson est un journaliste scientifique et technologique pour Dark Matter. Il est titulaire d'un MSc en communication scientifique et d'un BSc en physique de l'University College London.