Une nouvelle méthode pour la détection indirecte de la matière noire

Une nouvelle méthode de mesure pourrait permettre d’élucider enfin le mystère de la raie X à 3,55 keV observée dans de nombreuses galaxies et attribuée par certains astrophysiciens à la présence de particules de matière noire.

Il fallait y penser, et c’est Eric Speckhard du Center for Cosmology and AstroParticle Physics de l’Université de l’Ohio et son équipe qui y ont pensé. Comment savoir si cette raie d’émission X mystérieuse à 3,55 keV est produite par du gaz galactique fortement ionisé (donc relativement classique) ou bien par la désintégration de particules de matière noire exotiques ? Les vitesses de ces deux composantes au sein d’une galaxie sont différentes ! Et qui dit vitesse d’une source de rayonnement électromagnétique (quel que soit le domaine de longueur d’onde), dit effet Doppler, ou décalage spectral. Une source de rayonnement qui s’éloigne produit un rayonnement qui se retrouve, pour l’observateur, décalée vers le rouge (les grandes longueurs d’ondes, ou basses énergies), et inversement, lorsqu’elle se rapproche, cette dernière est décalée vers les plus petites longueurs d’ondes.

Principe de la méthode proposée par Speckhard et al. Le gaz et les particules de matière noire émettraient des rayonnements ayant un décalage spectral opposé dans deux zones opposées de la Galaxie (décalage vers le rouge pour l'un et vers le bleu pour l'autre et vice-versa)

Dans une galaxie, le gaz interstellaire comme toutes les étoiles, est en rotation dans le même sens, autour du centre de la galaxie. Le soleil étant situé à environ un tiers du rayon visible de la Galaxie et tournant avec l’ensemble, lorsque l’on observe différentes directions de la Galaxie, on voit donc des décalages spectraux différents, vers le rouge pour la zone située « devant » le Soleil dans sa course galactique, et vers le bleu pour la zone qui est située « derrière » lui (voir le schéma).

Pour ce qui concerne les particules de matière noire, il en est tout autrement. Les modèles généralement admis décrivant la matière noire font état de la présence d’un vaste halo quasi sphérique peuplé de particules massives dans lequel baignent les étoiles et le gaz de la galaxie. La direction de ces particules est aléatoire. On peut se représenter un tel halo comme une sorte de bulle de gaz où chaque particule est en orbite autour du centre du halo mais avec chacune avec direction différente. Donc, vu d’ici, après soustraction de la vitesse du soleil (et de celle de la Terre autour du Soleil), la vitesse moyenne observée de ces particules devrait être nulle,  car on devrait en voir autant s’éloigner de nous que s’en rapprocher. Si ces particules se désintègrent en émettant un photon X de 3,55 keV, la longueur d’onde que nous devrions observer devrait alors être décalée uniquement à cause de la vitesse relative du Soleil par rapport au centre de la Galaxie.

Le fait important ici, c’est que ces longueurs d’ondes (ou ces énergies, rappelons que E = hc/l) émises par des particules de matière noire se désintégrant, auraient au final un décalage spectral différent en fonction de la zone de la Galaxie observée, cette différence étant inverse de celle observable dans le cas du gaz : décalée vers le bleu quand on regarde vers l’ « avant » du Soleil et décalée vers le rouge quand on regarde vers l’ « arrière ».

C’est toute l’idée de Eric Speckhard : pour savoir si la raie à 3,55 keV observée par les télescopes X Chandra X-Ray Observatory et XMM-Newton est due à une émission de gaz, il suffit de l’observer dans des directions différentes, vers l’ « avant » du soleil » et vers l’ « arrière ». Si les photons sont légèrement plus « rouges » (moins énergétiques) vers l’ « avant » du Soleil que vers l’arrière, il s’agit de gaz, si on observe le contraire, on tient de la matière noire !

Vue d'artiste de ASTRO-H (JAXA)

Cela peut paraître simple sur le papier, mais lorsqu’il s’agit de faire ces mesures, c’est évidemment un peu plus compliqué. D’après les valeurs typiques de vitesse qui existent dans la galaxie, les auteurs calculent que les décalages spectraux en question ne devraient pas dépasser 0,1%, soit environ 4 eV en termes de décalage en énergie. Or aujourd’hui aucun télescope à rayons X ne peut résoudre une si faible différence énergétique. Aujourd’hui, non, mais demain oui. Disons… dans quelques jours, oui. Effectivement, les meilleurs télescopes X aujourd’hui en orbite, Chandra, XMM-Newton, Suzaku et NuSTAR n’atteignent pas la performance requise. Mais ils vont être rejoints en orbite (et très vite supplantés) par le tout nouveau télescope X japonais nommé ASTRO-H, dont le lancement est prévu le 12 février.

Et ASTRO-H est muni d’un spectromètre pour les X mous qui peut atteindre une résolution en énergie de quelques eV pour des rayons X de quelques keV. Eric Speckhard  et ses collègues ont fait le calcul : en exploitant une exposition de 23 jours dans chaque direction galactique intéressante, l’effet sur la raie à 3,55 keV devrait être observé...

Cette nouvelle méthode qu’on peut appeler de la spectroscopie de vitesse pourrait ainsi se révéler extrêmement puissante dans le cadre de la recherche indirecte de matière noire. Même si finalement la raie à 3,55 keV se révèle avoir une origine gazeuse, la méthode restera un outil tout à fait pertinent pour discriminer un signal de matière noire d’un autre signal astrophysique plus classique.

Et si la raie à 3,55 keV se trouve avoir une origine de particules de matière noire, cette même méthode de spectroscopie de vitesse, en étant encore améliorée par des détecteurs toujours plus performants en résolution, pourrait permettre d’explorer en détails la structure spatiale et dynamique de la matière noire dans la Galaxie, voire dans d’autres galaxies. La matière noire ne serait  alors plus noire.

Source :

Dark matter velocity spectroscopy

Eric Speckhard et al.

Physical Review Letters 116, 031301 (22 January 2016)

http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.031301