Matière noire : nouvelle hypothèse fondée sur la fluorescence X à 3,54 keV

Une nouvelle interprétation d’une observation incomprise en rayons X, une raie d'émission à 3,54 keV provenant du centre de nombreuses galaxies, fournit une nouvelle hypothèse très intéressante pour la matière noire.

Vous avez peut-être déjà entendu parler de la raie mystérieuse à 3,54 keV (notamment ici-même). Tout a commencé en 2014, quand l’équipe de Esra Bulbul du Harvard Smithonian Center for Astrophysics avait trouvé un pic d’émission à 3,54 keV avec le télescope spatial Chandra dans le gaz chaud enrobant les galaxies de l’amas Perseus. Puis l’équipe de Bulbul trouva avec XMM-Newton la même raie dans un groupe de 73 amas de galaxies mis ensemble pour une meilleure statistique. Les observations effectuées avec Chandra et XMM-Newton étaient cohérentes entre elles. La machine s’était ensuite un peu emballée quand à peine quelques jours plus tard, une autre équipe complètement indépendante, menée par Alexey Boyarsky de l’université de Leiden, avait rapporté l’observation avec le même XMM-Newton d'une raie à la même énergie dans la galaxie d’Andromède et dans les régions périphériques de l’amas de Perseus. 

Comme aucune origine astrophysique classique (raies d’émission de gaz ionisé) ne pouvait expliquer la présence de cette raie d’émission, il n’en avait pas fallu beaucoup plus pour attribuer les photons formant cette raie X à la désintégration de particules formant la matière noire, dans ce cas, des neutrinos d’un quatrième type qui auraient une masse double de l'énergie des photons détectés, c’est-à-dire 7,1 keV, ces neutrinos pouvant en théorie se désintégrer en deux photons. Mais ces résultats devinrent controversés à partir du moment où certaines observations ultérieures montrèrent la présence de la même raie alors que d’autres ne la voyaient pas. Le télescope japonais Hitomi, par exemple, juste avant de défaillir en 2016, avait été pointé vers l’amas de galaxies Perseus sans voir la fameuse raie à 3,54 keV. L’hypothèse d’un neutrino stérile comme candidat pour le matière noire perdait par ailleurs de la vigueur pour d'autres raisons.

Mais c’est justement l’absence de détection par Hitomi qui a donné un déclic à Joseph Conlon et ses collègues. Il se trouve que Hitomi avait une moins bonne résolution spatiale que Chandra, ce qui fait qu’il enregistrait des photons venant de deux sources différentes : le gaz chaud diffus enveloppant la grosse galaxie centrale de l’amas Perseus, et la région très proche du trou noir central de cette galaxie. L’équipe de Bulbul avait ainsi pu, grâce à Chandra, privilégier le gaz chaud en éliminant de leur analyse les sources quasi-ponctuelles comme celle de la région très proche du trou noir central. Les chercheurs de Oxford se sont donc penchés à nouveau sur les données brutes de 2009 de Chandra qu'avait utilisées l'équipe de Bulbul pour se concentrer cette fois ci sur les sources ponctuelles et notamment la région centrale proche du trou noir. Et là, surprise ! Ils n’observent pas un excès de rayons X à 3,54 keV, mais au contraire, un déficit (un creux dans le spectre)! Quelque chose absorbe les rayons X qui sont produits autour du trou noir de la galaxie centrale à cette énergie précise de 3,54 keV.

Joseph Conlon et son équipe ont alors simulé ce que devait voir Hitomi à 3,54 keV avec sa résolution, en ajoutant la contribution positive du gaz diffus et celle, négative, de la région centrale quasi ponctuelle.  Ils trouvent exactement ce qu’a détecté Hitomi : aucun excès et même plutôt un petit déficit.

Le phénomène montre donc un processus d’absorption dans la ligne de visée du trou noir (qui produit des rayons X à toutes les énergies) et un processus d’émission à la même énergie dans les régions décalées. Ce phénomène est bien connu des astronomes et s’apparente au phénomène de fluorescence atomique. Une « matière inconnue» absorbe les rayons X puis les réémet dans toutes les directions. Toutes les zones situées autour du centre galactique, où sont produits quantités de rayons X de toutes les énergies, subissent les mêmes processus d’absorption et d’émission, mais lorsque l’on vise justement la zone de production de rayons X (le centre galactique et son trou noir), l’absorption l’emporte sur l’émission, cette dernière se faisant dans toutes les directions. En revanche, dans les zones périphériques, on ne regarde plus la source de rayons X à travers la « matière inconnue », et donc on ne voit que la réémission caractéristique et pas d'absorption.

Cette nouvelle analyse des spectres X en provenance de l’amas Perseus fournit ainsi une toute nouvelle hypothèse pour expliquer cette « matière inconnue », faisant intervenir à nouveau des particules massives de matière noire, mais cette fois-ci qui ne se désintégreraient pas. Elles auraient juste le pouvoir d’absorber et de réémettre des photons de 3,54 keV. Les chercheurs de Oxford suggèrent donc que les particules de matière noire auraient deux niveaux d’énergie séparés de 3,54 keV. Il ne s’agirait ainsi plus à proprement parler de matière « noire », puisque ces particules produiraient un processus similaire à la fluorescence des atomes lorsque ces derniers, grâce à leur cortège électronique, absorbent et réémettent des photons.

Pour confirmer cette nouvelle hypothèse, les astrophysiciens vont avoir besoin de nouvelles mesures en rayons X, plus longues que les précédentes, sur l’amas de Perseus ou d’autres cibles du même type. L’objectif sera de confirmer la présence du déficit à 3,54 keV observé dans la région très centrale des galaxies. Aujourd’hui seuls Chandra et XMM-Newton sont capables d’effectuer ces mesures, en attendant le remplaçant de Hitomi disparu bien trop tôt, mais qui aura peut-être permis de lever un grand coin du voile noir…

Source

Consistency of Hitomi, XMM-Newton and Chandra 3.5 keV data from Perseus

Joseph P. Conlon, Francesca Day, Nicholas Jennings, Sven Krippendorf and Markus Rummel

Accepté pour publication dans Physical Review D 90, 123009 (décembre 2017)

https://arxiv.org/abs/1608.01684

Illustrations

1) Image composite de l’amas de galaxies de Perseus en rayons X (bleu) et en visible et radio (rose) (X-ray: NASA/CXO/Oxford University/J. Conlon et al. Radio: NRAO/AUI/NSF/Univ. of Montreal/Gendron-Marsolais et al. Optical: NASA/ESA/IoA/A. Fabian et al.; DSS)

2) Vue d'artiste du télescope spatial Chandra X-Ray Observatory (NASA)

3) Vue d'artiste du télescope spatial XMM-Newton (ESA)

4) Vue d'artiste du télescope spatial Hitomi, qui a subi une défaillance 3 semaines après son lancement (JAXA)