vendredi 24 février 2017

Observation d'un excès de photons gamma dans le centre de la galaxie d'Andromède



Une grande collaboration internationale exploitant les données du télescope spatial gamma Fermi-LAT vient de révéler la détection d'un excès important de rayons gamma en provenance d'une zone étendue au centre de la galaxie d'Andromède (M31). Un excès similaire avait observé au centre de notre galaxie en 2014. Deux hypothèses principales peuvent expliquer cet excès : la désintégration ou annihilation de particules de matière noire, ou bien la présence de nombreux pulsars au niveau du bulbe central des galaxies.



La collaboration internationale publie sa découverte dans The Astrophysical Journal cette semaine. Les chercheurs montrent qu'une émission gamma très significative provient de la région centrale de M31 et non répartie un peu partout.
Le flux gamma en excès détecté au centre de M31 se situe sur une plage en énergie comprise entre 0,1 et 100 GeV. Il est à noter que la petite galaxie voisine de M31 nommée M33 a également été observée par Fermi-LAT et ne montre aucun excès similaire d'après les auteurs de cette étude.
Les astrophysiciens observent que l'émission gamma de M31 n'est pas corrélée avec des régions riches en gaz ou des zones de formation d'étoiles, ce qui indique que l'origine de ces photons gamma n'est pas le milieu interstellaire ni le rayonnement cosmique pouvant être produit par les étoiles nouvellement formées ou en cours de formation.



La distribution spatiale de l'émission gamma est très intéressante car nous savons que la matière noire sous forme de particules massives devrait se concentrer justement dans la zone centrale des galaxies. Et ces particules, selon certains modèles, pourraient se désintégrer en émettant des paires de leptons-antileptons qui eux-mêmes se désintégreraient rapidement en photons gamma. Il se pourraient également que ces particules soient leurs propres antiparticules et puissent s'annihiler lorsqu'elles se rencontrent, donnant lieu là encore à l'émission de photons gamma.
Mais les astrophysiciens ne peuvent pas affirmer avoir découvert indirectement la matière noire, car l'excès de photons gamma observé peut aussi provenir d'autres processus comme les vents de particules produits par des pulsars millisecondes. A la distance de M31 (2,5 millions d'années lumière), il est extrêmement difficile de détecter des pulsars individuels. S'ils existent en grand nombre dans la zone centrale du bulbe galactique, leur somme pourrait produire l'émission étendue observée. Andromède et la Voie Lactée sont des galaxies très similaires, qui permettent d'extrapoler les observations de l'une sur l'autre. De tels pulsars millisecondes auraient pu être dispersés dans le bulbe et le disque galactique par la destruction d'amas globulaires par exemple.
Il faut également mentionner que la collaboration Fermi-LAT avait activement recherché depuis 2012 des excès de photons gamma dans les galaxies naines satellites entourant la Voie Lactée et réputées contenir de grandes quantités de matière noire, sans en trouver trace...

Les hypothèses "matière noire" et "pulsars millisecondes" sont les deux hypothèses les plus probables aujourd'hui avec les connaissances qui sont les nôtres, mais les chercheurs précisent tout de même que ces hypothèses ne sont pas exclusives. Il reste maintenant à essayer de les départager définitivement, notamment en recherchant d'autres indices de la présence de grandes populations de pulsars au centre de la Voie Lactée, ce qui a commencé à être mis en évidence il y a un peu plus d'un an.


Référence 

M. Ackermann et al.
Observations of M31 and M33 with the Fermi Large Area Telescope: A Galactic Center Excess in Andromeda?
The Astrophysical Journal 836, 208 (23 février 2017)
http://dx.doi.org/10.3847/1538-4357/aa5c3d

Illustration 

L'excès de rayonnement gamma provenant de la galaxie d'Andromède détecté par Fermi-LAT en rouge-jaune, superposé à l'image de M31 (NASA / DOE / Fermi LAT Collaboration / Bill Schoening / Vanessa Harvey / REU Program / NOAO / AURA / NSF)