Pourrait-on détecter l’annihilation de la matière noire au sein des amas globulaires ?

Une équipe d’astronomes a étudié deux amas globulaires proches, 47 Tucanae et Omega Centauri, à la recherche de signaux produits par l’annihilation de la matière noire. Bien que les recherches se soient révélées vides, elles n’ont pas été un échec. L’absence de détection a imposé des limites supérieures strictes à la masse de l’hypothétique particule de matière noire.

Faire la lumière sur la matière noire

La matière noire représente environ 80% de toute la masse de l’univers, bien qu’elle soit complètement invisible. Il n’interagit tout simplement pas avec la force électromagnétique, et donc il ne brille pas, ne réfléchit pas, n’absorbe pas ou quoi que ce soit. Jusqu’à présent, la seule preuve que nous ayons de son existence réside dans ses effets gravitationnels sur le reste de l’univers. Pour cette raison, les astronomes ne savent pas exactement ce qu’est la matière noire, bien que de nombreux physiciens pensent qu’il s’agit d’un nouveau type de particule, auparavant inconnu du modèle standard de la physique des particules.

Une possibilité est que la matière noire soit constituée d’une particule ultra-légère, comme un axion. Et même si ces particules n’interagiraient pas avec la matière normale, elles pourraient très rarement interagir avec elles-mêmes, se heurter et s’annihiler. Si l’énergie de la collision est suffisamment élevée, elle peut entraîner la production d’un rayon gamma, qui se sépare ensuite pour devenir un électron et un positron.

Ces électrons et positrons peuvent se coller ensemble pour former des états liés, appelés positronium. Cependant, les atomes de positronium ne sont pas stables et finissent par se désintégrer, laissant derrière eux un éclair d’émission radio.

Ainsi, même si la matière noire n’interagit pas directement avec l’électromagnétisme, nous avons toujours la possibilité de voir l’émission radio provenant de la collision et de la désintégration des particules de matière noire.

Regardez les amas globulaires

Pour que cela fonctionne, vous avez besoin de beaucoup de matière noire. Si les particules de matière noire se heurtaient assez facilement, nous l’aurions déjà vu. Les collisions doivent donc être rares. La densité de matière noire dans notre voisinage galactique est bien trop faible pour produire une émission détectable, mais les noyaux denses des galaxies peuvent offrir un meilleur accès.

L’endroit naturel à regarder est notre noyau galactique, mais cet endroit est inondé de toutes sortes d’émissions radio, il est donc difficile de dire si un signal particulier provient de l’annihilation de la matière noire ou de quelque chose de plus banal. C’est pourquoi une équipe d’astronomes s’est penchée sur deux amas globulaires proches, comme le rapporte un article récemment paru dans la revue préimprimée arXiv.

Les deux amas, 47 Tucanae et Omega Centauri, ne sont qu’à quelques milliers d’années-lumière, ce qui les rend relativement faciles à observer. Et les astronomes pensent qu’ils sont les restes de galaxies naines, la majeure partie de leurs étoiles leur ayant été arrachée par des interactions avec la Voie lactée.

Cela fait des amas des laboratoires idéaux, car ce sont essentiellement des boules de matière noire dense avec très peu de contamination. L’équipe d’astronomes est allée chercher le signal radio unique du positronium en décomposition à l’aide de l’observatoire de Parkes en Australie.

Ils n’ont rien trouvé, ce qui n’est pas nécessairement une mauvaise chose. Sur la base de leurs observations, ils ont pu placer les meilleures limites supérieures à ce jour sur la masse et la section transversale (une mesure de la fréquence à laquelle les particules interagissent) de ces modèles de matière noire claire. Bien sûr, cela aurait été génial de voir un signal confirmé et enfin de mettre fin à ce mystère de la matière noire, mais de nouvelles connaissances dans toutes les directions sont toujours les bienvenues et toujours utiles.