En 2011, Dan Hooper et Lisa Goodenough (Fermilab) publiaient un article retentissant annonçant l'existence d'un excès mystérieux de rayons gamma en provenance du centre galactique, qui pouvait être interprété comme le signal de l'annihilation de particules exotiques de matière noire. Quelques années plus tard, une autre explication a émergé pour expliquer ce flux gamma : la présence de centaines de pulsars millisecondes émetteurs de photons gamma. Depuis lors, les deux scénarios ont âprement été débattus, avec une préférence qui s'est de plus en plus affirmée au fil des ans pour l'hypothèse des pulsars millisecondes, sans que l'hypothèse matière noire ne puisse être définitivement écartée. Aujourd'hui, une équipe de chercheurs vient d'analyser les données sous un nouvel angle, en prenant en compte l'énergie des photons gamma individuels. Ils en concluent que l'hypothèse matière noire est plus convaincante que celle des pulsars millisecondes... Ils publient leur étude dans la prestigieuse Physical Review Letters.
Une voie pour résoudre la nature de l'excès gamma du centre galactique (GCE) consiste à exploiter la caractéristique d’une source ponctuelle : la production de plus d’un seul photon depuis exactement une même position. La carte pixellisée du nombre de photons prédite par l’annihilation de la matière noire suit une distribution de Poisson. Bien qu’elle soit contrôlée par la distribution sous-jacente et incertaine de matière noire dans la Galaxie interne, un détecteur observe une distribution spatiale relativement lisse, ponctuée de fluctuations poissoniennes. Les sources ponctuelles, par leur capacité à produire plusieurs photons depuis la même position, injectent une variation supplémentaire d’un pixel à l’autre dans la carte. Même pour une population de sources trop faibles pour être détectées individuellement, elles peuvent collectivement induire une modification observable de la carte de photons par rapport à la prédiction poissonienne.
Cette intuition peut être encodée dans une vraisemblance analytique afin de distinguer les scénarios — comme cela a été fait pour la fonction de distribution de probabilité à un point, l’ajustement de gabarits non poissonien (NPTF) et le générateur de Poisson composé — ce qui a sous-tendu l’affirmation fondée sur le NPTF par Lee et al. en 2016 selon laquelle le GCE avait une origine de sources ponctuelles, des pulsars. Mais la robustesse de ces méthodes a été débattue à partir de 2019. Ce qui est indiscutable, c’est que la faisabilité computationnelle a imposé que la vraisemblance soit évaluée avec deux approximations importantes : premièrement : les corrélations de pixel à pixel sont négligées, et deuxièmement : les énergies des photons sont écartées.
Ces 5 dernières années, des approches d’apprentissage automatique ont été exploitées avec succès pour dépasser la première approximation. En particulier, une analyse sans vraisemblance fondée sur des réseaux de neurones convolutifs a conclu que, bien que le GCE puisse avoir une origine par des sources ponctuelles, ces sources devraient être considérablement plus faibles que ce qui avait été conclu dans les études de vraisemblance antérieures.
Florian List (université de Vienne) et ses collaborateurs se sont à nouveau appuyés sur la méthodologie des réseaux de neurones convolutifs, cette fois, afin de démontrer qu’elle peut également supprimer la seconde hypothèse, et fournir la première analyse de la nature en sources ponctuelles du GCE dépendante de l’énergie.
Sur le plan conceptuel, il s’agit d’une avancée importante dans les études du GCE. On sait que le GCE possède un spectre distinct de celui des arrière-plans dominants. L’information en énergie fournit donc un levier puissant grâce auquel les méthodes pourraient démêler sa nature en identifiant des erreurs de modélisation de l’arrière-plan. Grâce à leur méthode, List et ses collaborateurs retrouvent un spectre de l’excès qui est similaire à celui des études antérieures, mais une population de sources bien moins lumineuse, et dont la prédiction médiane est compatible avec une émission purement poissonienne, comme ce qui serait attendu pour une origine liée à la matière noire.
Cet apport est considérable puisque l’information énergétique conduit les sources ponctuelles supposées à être significativement moins lumineuses, ce qui indique soit que l'excès du centre galactique est véritablement diffus par nature, soit qu’il est composé d’un nombre exceptionnellement élevé de sources ponctuelles. Quantitativement, pour le meilleur modèle d’arrière-plan de List et ses collaborateurs, si l'excès est dû à des sources ponctuelles, la prédiction médiane du nombre de pulsars est de l’ordre de 100 000, et en tous cas plus de 35 000 avec un niveau de confiance de 90 %. Dans les deux cas, ce serait une population de plusieurs ordres de grandeur supérieure aux quelques centaines de pulsars qui ont été privilégiés par les analyses antérieures de sources ponctuelles du centre galactique.
Les chercheurs précisent que les variations permises par les systématiques de l’arrière-plan peuvent réduire le nombre requis de sources d’environ un facteur 10. On est encore très supérieur à quelques centaines... Pour eux, cela demeure la principale incertitude systématique qui mérite une étude plus approfondie. Au-delà de modèles diffus mis à jour, leur réseau de neurones pourrait être entraîné sur des combinaisons linéaires de différents modèles d’arrière-plan, inclure des méthodes adaptatives d’ajustement de gabarits, ou même des modèles pondérés par des polynômes ou des harmoniques. Cela donne des pistes intéressantes pour les travaux futurs sur cette question ô combien importante et passionnante.
On voit que même si on fait face à un problème notoirement difficile, des progrès demeurent possibles, et l’apprentissage automatique s’avère être un outil puissant pour dépasser des limitations anciennes. List et ses collègues ont produit la première inférence simultanée du spectre du GCE et de la distribution du nombre de sources, révélant que l’inclusion de l’énergie déplace la distribution des sources jusqu’à la rendre indiscernable de l’émission poissonienne qui est prédite par l'hypothèse de la matière noire. Ils affaiblissant ainsi l’un des principaux éléments de preuve en faveur de l’hypothèse des pulsars millisecondes...
Maintenant, plusieurs extensions directes de cette étude devraient être étudiées. La méthode pourrait par exemple être étendue à une plage d’énergie plus large, en particulier vers les basses énergies où le spectre unique du GCE pourrait apparaître plus clairement. Plus largement, il est probable que l’approche fondée sur les réseaux de neurones convolutifs, bien qu'elle soit performante, ne constitue pas encore l’utilisation optimale de l’apprentissage automatique pour ce problème. Explorer comment ces méthodes peuvent être poussées encore plus loin constitue une étape importante pour l’avenir, et surtout pour déterminer si la découverte de la matière noire a déjà été faite en 2011, grâce à la détection d'un excès de rayons gamma dans le centre galactique...
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