Une Analyse au Niveau du Pixel Confirme un Halo de Rayons Gamma à 20 GeV qui Pourrait Révéler la Matière Noire
Image à la une : [Carte du ciel en rayons gamma réalisée par Fermi-LAT montrant le plan galactique et le halo ; crédit : NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration]
Une équipe de physiciens de l’University College London a confirmé de manière indépendante la détection d’un signal de rayons gamma à 20 GeV émanant du halo de la Voie lactée, renforçant l’hypothèse selon laquelle il pourrait s’agir de la signature tant recherchée de l’annihilation de la matière noire. L’étude, soumise à arXiv le 9 juillet 2026, a utilisé 15 années de données du télescope spatial Fermi Gamma-Ray de la NASA et a poussé l’analyse jusqu’à la résolution native en pixels de l’instrument.
L’excès à 20 GeV a été signalé pour la première fois fin 2025 par une équipe de l’Université de Tokyo dirigée par Tomonori Totani, qui a découvert une composante sphérique de rayons gamma culminant à 20 GeV dans la région entourant le centre galactique. Le spectre énergétique du signal correspondait aux prédictions pour les Particules Massives Interagissant Faiblement (WIMPs) s’annihilant à des masses sub-TeV, mais l’analyse initiale reposait sur une approche par agrégation de cellules qui moyennisait les données sur des régions du ciel relativement grandes.
Confirmation au Niveau du Pixel
Trinity Rosebud Stenhouse, Chamkaur Ghag et Frank Deppisch de l’UCL ont reproduit l’analyse par agrégation de cellules, puis sont allés plus loin. Ils ont effectué un ajustement de vraisemblance au niveau du pixel sur les cartes natives à 0,125 degré de Fermi-LAT, en ajoutant un repliement avant de la fonction d’étalement du point dépendant de l’énergie et un masquage agressif des sources brillantes de rayons gamma. L’objectif était d’éliminer toute possibilité que le signal soit un artefact du schéma de regroupement.
Les deux méthodes ont reproduit le spectre du halo à 20 GeV, l’ajustement au niveau du pixel donnant une normalisation environ 20 pour cent plus élevée que l’approche par cellules. Point crucial, le signal est une caractéristique de haute latitude, distincte du célèbre excès du centre galactique débattu depuis plus d’une décennie. Il est concentré au centre mais s’étend dans le halo, ce qui écarte fortement une origine extragalactique.
Interprétation en Termes de Matière Noire
En ajustant les spectres d’annihilation standard des WIMPs en onde s au signal, la meilleure masse de particule de matière noire était de 0,55 TeV pour le canal W+W- et de 0,72 TeV pour le canal du quark b (b-bbar), avec une section efficace d’annihilation d’environ 1 x 10^-24 centimètres cubes par seconde.
Ces valeurs mettent le signal en tension avec les limites provenant des galaxies naines sphéroïdales, où l’absence d’émission de rayons gamma contraint les taux d’annihilation des WIMPs. La tension nominale est d’environ 4 à 5 fois. Mais lorsque l’équipe a pris en compte les incertitudes systématiques dans la modélisation du premier plan et le facteur J (une mesure de la densité de matière noire dans les naines), la fenêtre de tension s’est élargie à un facteur de 1,6 à 9,3, laissant l’interprétation en onde s viable.
Résoudre la Tension
L’équipe a systématiquement testé des modèles alternatifs pour voir lesquels pouvaient satisfaire toutes les contraintes observationnelles.
L’annihilation pure en onde p a été exclue par environ sept ordres de grandeur par rapport aux exigences d’abondance relique. Un scénario de matière noire en décomposition échappait aux limites des naines mais était défavorisé par le fond de rayons gamma isotrope mesuré dans tout le ciel.
Le seul modèle physiquement viable satisfaisant toutes les contraintes était l’annihilation améliorée à basse vitesse, entraînée par un mécanisme résonant tel que l’amélioration de Sommerfeld ou une résonance de Breit-Wigner. Cela fournit le facteur d’environ 45 nécessaire pour amener le taux d’annihilation d’une relique thermique jusqu’au signal observé tout en maintenant le taux suffisamment bas dans les galaxies naines (où les particules de matière noire se déplacent plus lentement) pour ne pas violer les limites.
La difficulté est que la résonance doit être finement ajustée : elle doit culminer à la vitesse caractéristique du halo de matière noire de la Voie lactée et chuter brusquement pour les systèmes nains plus froids. C’est théoriquement possible mais nécessite une relation spécifique entre la masse de la particule et l’énergie de résonance.
Prochaines Étapes
Le télescope spatial Fermi, maintenant dans sa 18e année d’opération, continue d’accumuler des données, et chaque année supplémentaire améliore la significativité statistique de l’excès du halo. Le futur réseau de télescopes Cherenkov (CTA) et d’autres observatoires de rayons gamma au sol pourraient sonder la gamme d’énergie sub-TeV où le signal est le plus brillant, fournissant une vérification indépendante.
Si elle est confirmée comme étant de la matière noire, cette signature représenterait la première détection directe de l’annihilation des WIMPs, une découverte d’importance fondamentale pour la cosmologie et la physique des particules. Les auteurs de l’UCL notent que résoudre complètement la tension des naines nécessitera soit la découverte de rayons gamma provenant d’une galaxie naine voisine au taux prédit, soit une mesure plus précise des premiers plans galactiques.
L’article est disponible sur arXiv:2607.08552 sous une licence Creative Commons.
Traduit par Lydie