Un étrange signal de rayons X provenant de l'amas de la galaxie Persée pourrait-il être un indice de la matière noire insaisissable dans notre univers?
En utilisant des données d'archives de l'Observatoire de rayons X de Chandra et de la mission XMM-Newton, les astronomes ont trouvé une ligne d'émission de rayons X non identifiée, ou un pic d'intensité à une longueur d'onde très spécifique de la lumière des rayons X. Cette pointe a également été trouvée dans 73 autres amas de galaxies dans les données XMM-Newton.
Les scientifiques proposent qu'une possibilité intéressante est que les rayons X soient produits par la désintégration des neutrinos stériles, un type hypothétique de neutrino qui a été proposé comme candidat pour la matière noire et qui ne devrait interagir avec la matière normale que par gravité.
"Nous savons que l'explication de la matière noire est un projet de longue haleine, mais le résultat serait énorme si nous avons raison", a déclaré Esra Bulbul du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) à Cambridge, Massachusetts, qui a dirigé la étude. "Nous allons donc continuer à tester cette interprétation et voir où cela nous mène."
Les astronomes estiment qu'environ 85% de toute la matière de l'Univers est de la matière noire, invisible même pour les télescopes les plus puissants, mais détectable par son attraction gravitationnelle.
Les amas de galaxies sont de bons endroits pour rechercher de la matière noire. Ils contiennent des centaines de galaxies ainsi qu'une énorme quantité de gaz chaud remplissant l'espace entre elles. Mais les mesures de l'influence gravitationnelle des amas de galaxies montrent que les galaxies et le gaz ne représentent qu'environ un cinquième de la masse totale. On pense que le reste est de la matière noire.
Bulbul a expliqué dans un article sur le blog de Chandra qu'elle voulait essayer de chasser la matière noire en «empilant» (superposant les observations les unes sur les autres) un grand nombre d'observations d'amas de galaxies pour améliorer la sensibilité des données provenant de Chandra et XMM- Newton.
"Le grand avantage de l'empilement des observations n'est pas seulement un rapport signal / bruit accru (c'est-à-dire la quantité de signal utile par rapport au bruit de fond), mais aussi les effets diminués des fonctions de détecteur et de fond", a écrit Bulbul. "L'émission de fond de rayons X et le bruit instrumental sont les principaux obstacles à l'analyse d'objets faibles, tels que les amas de galaxies."
Son objectif principal en utilisant la technique d'empilement était d'affiner les limites supérieures précédentes des propriétés des particules de matière noire et peut-être même de trouver une faible ligne d'émission à partir de métaux non détectés auparavant.
"Ces faibles lignes d'émission des métaux proviennent des transitions atomiques connues qui se produisent dans les atmosphères chaudes des amas de galaxies", a déclaré Bulbul. «Après avoir passé un an à réduire, examiner attentivement et empiler les observations de rayons X XMM-Newton de 73 amas de galaxies, j'ai remarqué une ligne d'émission inattendue à environ 3,56 kiloélectrons volts (keV), une énergie spécifique dans la gamme des rayons X. "
En théorie, un neutrino stérile se désintègre en un neutrino actif en émettant un photon X dans la gamme keV, qui peut être détecté par spectroscopie X. Bulbul a déclaré que les résultats de son équipe sont conformes aux attentes théoriques et aux limites supérieures fixées par les précédentes recherches aux rayons X.
Bulbul et ses collègues ont travaillé pendant un an pour confirmer l'existence de la ligne dans différents sous-échantillons, mais ils disent qu'ils ont encore beaucoup de travail à faire pour confirmer qu'ils ont effectivement détecté des neutrinos stériles.
«Notre prochaine étape consiste à combiner les données de Chandra et de la mission Suzaku de la JAXA pour un grand nombre d'amas de galaxies pour voir si nous trouvons le même signal radiographique», a déclaré le co-auteur Adam Foster, également de CfA. «Il existe de nombreuses idées sur ce que ces données pourraient représenter. Nous ne le saurons pas avec certitude avant le lancement d'Astro-H, avec un nouveau type de détecteur de rayons X qui sera capable de mesurer la ligne avec plus de précision que ce qui est actuellement possible. »
Astro-H est une autre mission japonaise dont le lancement est prévu en 2015 avec un instrument à haute résolution qui devrait être en mesure de voir plus en détail dans les spectres, et Bulbul a déclaré qu'ils espèrent être en mesure de «distinguer sans ambiguïté une ligne astrophysique d'un signal de matière noire et dites-nous ce qu'est vraiment cette nouvelle émission de rayons X. »
La ligne d'émission étant faible, cette détection pousse les capacités de Chandra et XMM Newton en termes de sensibilité. De plus, l'équipe affirme qu'il peut y avoir des explications autres que les neutrinos stériles si cette ligne d'émission de rayons X est considérée comme réelle. Il existe des façons dont la matière normale dans l'amas aurait pu produire la ligne, bien que l'analyse de l'équipe ait suggéré que tout cela impliquerait des changements improbables dans notre compréhension des conditions physiques dans l'amas de galaxies ou dans les détails de la physique atomique des gaz extrêmement chauds.
Les auteurs notent également que même si l'interprétation des neutrinos stériles est correcte, leur détection n'implique pas nécessairement que toute la matière noire est composée de ces particules.
Le communiqué de presse de Chandra a partagé un intéressant aperçu des coulisses de la façon dont la science est partagée et discutée entre les scientifiques:
En raison du potentiel alléchant de ces résultats, après avoir soumis à The Astrophysical Journal, les auteurs ont publié une copie de l'article dans une base de données accessible au public, arXiv. Ce forum permet aux scientifiques d'examiner un article avant son acceptation dans une revue à comité de lecture. Le document a déclenché une vague d'activités, avec 55 nouveaux articles ayant déjà cité ce travail, impliquant principalement des théories discutant de la ligne d'émission comme preuve possible de la matière noire. Certains articles explorent l'interprétation des neutrinos stériles, mais d'autres suggèrent que différents types de particules de matière noire candidates, comme l'axion, peuvent avoir été détectés.
Une semaine seulement après Bulbul et al. placé leur article sur l'arXiv, un groupe différent, dirigé par Alexey Boyarsky de l'Université de Leiden aux Pays-Bas, a placé un article sur l'arXiv rapportant la preuve d'une ligne d'émission à la même énergie dans les observations XMM-Newton de la galaxie M31 et de la périphérie du cluster Perseus. Cela renforce la preuve que la ligne d'émission est réelle et non un artefact instrumental.
Lectures complémentaires:
Document de Bulbul et al.
Communiqué de presse de Chandra
Communiqué de presse de l'ESA
Blog Chandra
