Une équipe d'astrophysiciens chinois vient de mettre en évidence l'existence d'une raie gamma à une énergie de 43,2 GeV dans les données du télescope Fermi LAT accumulées pendant 15,5 ans en direction de 13 amas de galaxies. Cette raie gamma pourrait être le signal tant attendu d'un processus de désintégration ou d'annihilation de particules de matière noire, et donc une preuve indirecte de l'existence de particules massives interagissant faiblement. L'étude est publiée cette semaine dans Physical Review Letters.
Peu après la première publication des données de Fermi-LAT en 2012, plusieurs groupes de chercheurs ont entrepris des recherches de signaux de raies gamma en direction de la partie interne de la Galaxie et ont permis de trouver des preuves de la présence d'une raie aux environs de 130 GeV. Mais ce signal s'est avéré être un effet systématique de la reconstruction précoce des données de Fermi- LAT. Ce résultat nul a également été confirmé par l'observation indépendante du DArk Matter Particle Explorer (DAMPE). Cette fois, Yi-Zhong Fan (Purple Mountain Observatory, Chinese Academy of Sciences) et ces collaborateurs se sont concentrés sur les amas de galaxies, les systèmes liés gravitationnellement les plus massifs de l'Univers, qui contiennent un grand nombre de sous-structures pouvant constituer des cibles prometteuses pour la recherche de matière noire. Ils ont pour cela exploité les données de Fermi-LAT archivées durant 15,5 ans.
L'analyse de Fan et ses collaborateurs montre l'existence d'une raie spectrale à 43,2 GeV en direction d'un groupe de 13 amas de galaxies massifs proches, et plus particulièrement de 3 d'entre eux. Les chercheurs chinois montrent que ce signal est toujours présent dans les données les plus récentes.
La détection d'une raie gamma a été considérée comme la preuve irréfutable de l'annihilation et de la désintégration de la matière noire, car aucun processus astrophysique ou physique connu ne pourrait générer un spectre aussi particulier. Fan et ses collaborateurs ont utilisé les données publiques de Fermi-LAT P8R3 dans les directions de 13 amas de galaxies massifs à différents décalages vers le rouge z≤ 0,028, avec une analyse de vraisemblance non discrétisée.
Le signal gamma à 43.2 GeV qu'ils identifient a une valeur de test statistique (TS) d'environ 30 si on ne considère que les données en direction des amas de la Vierge, du Fourneau et d'Ophiuchus, trois amas massifs. Et ce signal est toujours présent lorsque les données de dix autres amas massifs proches sont également incluses, bien que la valeur TS diminue à environ 21, probablement en raison de leurs faibles rapports signal/bruit selon les chercheurs.
Le test statistique TS est défini comme TS≡2ln(ℒ^signal/ℒ^nul), où ℒ^ est la valeur de vraisemblance la mieux adaptée. La signification locale d'un signal de raie peut être approximée par la racine carrée de la valeur TS.
D'autre part, ce signal est absent dans la Galaxie interne, ce qui permet de réfuter à la fois l'effet instrumental et l'interprétation canonique de l'annihilation de la matière noire, ce qui implique qu'on pourrait avoir besoin d'un modèle de matière noire plus sophistiqué ou un scénario astrophysique très particulier.
On peut rappeler que de nombreux candidats intéressants pour les particules de matière noire ont été proposés dans la littérature, et les particules massives interagissant faiblement (WIMP) sont les plus prometteuses car elles peuvent expliquer naturellement la densité relique actuelle de matière noire. Les WIMPs peuvent s'annihiler ou se désintégrer, et finalement générer des paires de particules stables du modèle standard, telles que les rayons gamma, les neutrinos et antineutrinos, les électrons et positrons, les protons et antiprotons, etc. L'identification réussie de tels signaux pourrait donc permettre de déduire les propriétés des particules de matière noire.
Malgré les efforts considérables déployés au cours des dernières décennies, aucun signal définitif de matière noire n'a été identifié, ni dans les rayons gamma, ni dans les rayons cosmiques. L'une des difficultés réside dans le fait que les spectres d'énergie résultants des produits sont généralement lisses, ce qui rend difficile leur distinction des bruits de fond astrophysiques. Mais la situation pourrait changer si on observe une structure nette, comme une raie, comme on pourrait s'y attendre lors de l'annihilation ou de la désintégration des WIMPs dans un état final à deux corps γχ (ou la désintégration produisant un neutrino et un photon gamma à travers χ→γν ). Dans le cas d'une annihilation, l'énergie des photons gamma dépend de la masse de la particule de matière noire :
Eγ=mχ(1−mχ²/4mχ²).
Les chercheurs chinois calculent la valeur TS du signal de raie dans la direction de chaque amas de galaxies et l'évolution de la valeur TS d'un groupe de sources en fonction de l'accumulation de sources. Ils calculent également l'évolution temporelle des valeurs de TS des trois amas de galaxies (Vierge Ophiuchus et Fourneau) , ainsi que de l'échantillon complet, puis des amas individuels.
Il s'avère que pour le signal dans l'ensemble de l'échantillon, la signification statistique globale est d' environ 3.7 σ, tandis que pour les trois amas de galaxies Vierge Ophiuchus et Fourneau, la signification statistique globale est d'environ 4.3 σ... Il manque peu de chose pour annoncer une vraie découverte (définie à 5 σ).
Assez curieusement, Fan et ses collaborateurs observent une évolution temporelle du signal. Pour les trois amas principaux, la valeur de TS nette augmente globalement avec le temps, mais on voit une forte fluctuation durant l'intervalle de temps entre 57000 et 59000 MJD.
Pour l'ensemble de l'échantillon, la valeur TS atteint un pic aux alentours de 57700 MJD, puis chute rapidement, mais depuis 58600 MJD, elle est à nouveau en hausse. De manière générale, les valeurs de TS du signal dans les directions de la Vierge et d'Ophiuchus augmentent linéairement avec le temps, ce qui indique un processus d'émission globalement stable.
Après plus de 15 ans en orbite, Fermi-LAT est toujours en bon état et ses excellentes performances continues garantissent la collecte de données de haute qualité supplémentaires. Ce sera crucial pour vérifier si le signal observé à 43,2 GeV est réel ou non. Néanmoins, le double des données actuelles ne sera possible que d'ici 2040 seulement.... De plus, les données des télescopes gamma au sol, comme le Cherenkov Telescope Array, souffrent d'un bruit de fond important dû aux rayons cosmiques et d'une faible résolution énergétique aux environs de 40GeV, ce qui les rend presque inutilisables pour confirmer le signal.
Heureusement, la prochaine génération de télescopes spatiaux à rayons gamma est à l'étude. Notamment VLAST (Very Large Area γ-ray Space Telescope) , une mission spatiale chinoise en cours de proposition, qui se caractérise par une excellente efficacité de détection dans la gamme du GeV et du TeV et avec surtout une excellente résolution énergétique de∼1.3% à 50 GeV. Compte tenu de sa haute acceptabilité et de sa résolution énergétique, un tel télescope serait parfait pour déterminer définitivement s'il existe une raie γ à 43 GeV dans les amas de galaxies. Fan et ses collaborateurs ont simulé ce que seraient des observations de VLAST sur 2 ans sur les 13 amas de galaxies étudiés avec Fermi-LAT, en adoptant comme données d'entrée les résultats d'ajustement optimaux du signal ainsi que du bruit de fond des données Fermi-LAT actuelles. En deux ans d'accumulation de données, la valeur du TS de la raie à 43 GeV devrait être d'environ 73. Les chercheurs chinois peuvent ainsi prévoir que en 1 à 2 ans, VLAST pourrait confirmer la présence de la raie à 43 GeV.
Le smoking gun de la matière noire a-t-il enfin été trouvé ?
Source
Evidence for a ∼43 GeV γ-ray Line Signal in a Stacking Analysis of the Virgo, Fornax, and Ophiuchus Galaxy Clusters
Yi-Zhong Fan et al.
Physical Review Letters 137, 071003 (12 August 2026)
https://doi.org/10.1103/lq5r-sjp7
Illustration
Spectre en énergie mesuré par Fermi LAT et simulation du signal observable avec VLAST (Fan et al.)
