Dans leur quête de l'insaisissable matière noire, des chercheurs avaient établi que celle-ci produisait de la lumière au centre des galaxies en se désagrégeant. Mais une nouvelle étude n'en retrouve aucune trace et conclut à une fausse piste.

Et si la matière noire se cachait en pleine lumière ? Plusieurs théories voudraient que ces mystérieuses particules toujours introuvables émettent des photons en interagissant avec la matière ordinaire. Une idée séduisante, mais contredite par des travaux récemment parus dans la revue Science.

Cependant, pour en arriver là, il nous faut d’abord remonter un peu le temps, jusqu’en 1993. Au fin fond du Nouveau-Mexique aux États-Unis, le laboratoire national de Los Alamos bien connu pour avoir été le théâtre quelques décennies plus tôt du Projet Manhattan met au point un nouvel engin moins meurtrier qu’une bombe atomique : le LSND pour Liquid Scintillator Neutrino Detector. Une cuve gigantesque censée compter le nombre de neutrinos produits sur place. Les neutrinos sont des particules omniprésentes autour de nous, mais difficiles à saisir. Si bien que les résultats surprennent les chercheurs et pour cause, la masse produite est bien supérieure au nombre de neutrinos détectés. Leur hypothèse est donc la suivante : il y a un type de neutrino encore inconnu et indétectable, les neutrinos stériles.

Ces neutrinos hypothétiques sont relativement lourds, très nombreux et surtout ils n’interagissent pas avec les autres particules, ce qui fait naître une autre théorie. Ils seraient en réalité un composant de la matière noire, un autre composé hypothétique, lourd, omniprésent et indétectable.

Nicolle R. Fuller/NSF/IceCube

Depuis, de nombreuses recherches ont été entreprises pour détecter ces fameux neutrinos stériles avec comme principale piste, le fait que s’ils existent bien, ils devraient être détectables en rayons X au moment de leur désintégration. Un phénomène qui produirait une énergie visible avec nos instruments actuels.

La matière noire produit de la lumière ?

Ce qui nous amène à 2014. L’astrophysicienne du Max Planck Institute de Munich Esra Bulbul annonce la détection d’une ligne de rayons X dans l’Amas de Persée, à 250 millions d’années-lumière, de l’ordre de 3,5 kilo-électrons-volts (keV), ce qui signifie que des électrons s’y déplacent à grande vitesse et produisent de l’énergie. Pour la scientifique, l’origine de cette ligne ne fait pas d’équivoque, il s’agit de la signature de neutrinos stériles en train de se désagréger. La cible observée est extrêmement lointaine et les auteurs précisent bien qu’ils sont à la limite de leur capacité de détection. Seulement, quelques mois plus tard une autre étude montre un phénomène similaire un peu plus près de nous, dans la Galaxie d’Andromède située à « seulement » 2,5 millions d’années-lumière. Mêmes observations, mêmes conclusions : nous avons affaire à une manifestation visible de la matière noire.

Ces publications soulèvent beaucoup d’espoir, y compris auprès du grand public puisque la matière noire est un sujet qui fascine et qui donne lieu à de nombreux travaux partout dans le monde.

« Nous aurions dû trouver cette ligne, mais ça n’a malheureusement pas été le cas »

Mais tout n’est pas si simple et le 27 Mars 2020 Christopher Dessert, Nicholas Rodd et Benjamin Safdi publient dans Science cette dernière étude en date qui établit que les fameux rayons X ne sont pas présents dans notre propre Galaxie. « La Voie lactée est entourée d’un halo de matière noire, décrit Benjamin Safdi, de l’Université du Michigan. Donc nous aurions dû trouver cette ligne, mais ça n’a malheureusement pas été le cas. Et comme nous savons que la matière noire est présente dans notre Galaxie, cela signifie que ce n’est pas elle qui était responsable des 3,5 keV. »

Il s’agit ici d’une méta-analyse qui passe au crible les données de ces vingt dernières années collectées par le télescope spatial XMM-Newton, spécialisé dans la détection de rayons X. Et leur verdict est sans appel, même avec une fourchette assez large, cette fameuse signature détectée ailleurs est ici inexistante.

Alors, se pourrait-il que notre Galaxie soit différente des autres et ne présente pas ce phénomène lié à la matière noire que l’on observe ailleurs ? Pour les chercheurs c’est hautement improbable comme l’explique Benjamin Safdi. « La matière noire, même invisible, a un effet gravitationnel et nous arrivons à la quantifier dans plusieurs galaxies et à comparer. Si nous détectons une manifestation ailleurs, nous savons exactement comment cela pourrait se traduire chez nous. »

Querelle de chapelle sur la ligne

Donc, si le phénomène n’est pas présent partout comme l’indiquerait la présence de matière noire, son origine pourrait être ailleurs. Certains doutes avaient déjà été émis sur cette explication « exotique » de ces émissions. Il pourrait notamment s’agir de gaz chauds au sein des amas qui provoqueraient l’apparition de potassium ou d’argon. Il faut dire que ces milieux ne sont pas parfaitement connus et qu’il peut y avoir des différences de température ou de luminosité dans le plasma, ce qui peut mener à des phénomènes imprévisibles de notre point de vue. Autre possibilité, les chocs entre des plasmas de différentes températures, là aussi sans avoir beaucoup de certitudes en raison du manque de données disponibles. Mais quoi qu’il en soit, ceci expliquerait pourquoi ce phénomène est visible ailleurs, mais pas chez nous : il ne serait pas systématique.

Flickr/CC/Chandra X-ray Observatory Center

Cela dit, les partisans de la théorie impliquant la matière noire restent convaincus. Il faut dire que la méthode d’observation utilisée par l’équipe de Benjamin Safdi n’est pas totalement traditionnelle. Le principe était d’observer les objets brillants, puis de les isoler afin de voir ce qu’il y avait dans le « vide ». Un vide où des rayons X pouvaient potentiellement être présents. Pour les opposants, ceci ne serait pas suffisant car les chercheurs auraient pu mal isoler ce vide et mal éliminer les rayonnements alentour ce qui fausserait leur analyse. La fameuse ligne tant recherchée leur serait donc passée sous le nez. D’ailleurs, d’autres chercheurs ont des résultats différents comme Alexey Boyarsky de l’Université de Leiden aux Pays-Bas dans une étude mise en ligne sur le serveur ouvert Arxiv mais pas encore publiée. L’astrophysicien est d’ailleurs extrêmement septique face à ces résultats qu’il juge inconsistants : « Quand nous menons notre étude, nous cherchons tous les spectres de rayons X afin d’avoir un bruit de fond que nous retirons ensuite de nos analyses. Le télescope lui-même en émet et il faut distinguer cela des phénomènes qui nous intéressent. Ça n’a pas été fait ici et ils trient les données qui les intéressent pour arriver aux résultats qu’ils recherchaient, rien de plus. »

Des critiques fortes, émises par plusieurs chercheurs qui avaient relevé les rayons X auparavant comme Esra Bulbul et Kevork Abazajian, mais les auteurs se défendent. « C’est une méthode statistique peu commune encore dans la recherche de rayons X, reconnaît Benjamin Safdi. Mais elle est très utilisée dans la recherche de rayons Gamma, notamment au CERN et au LHC, et nous sommes sûrs de nos résultats. Nous comprenons que cette hypothèse soulevait de grands espoirs et nous avons tout fait pour éviter les lacunes avant de publier. Notre travail est certainement un revers pour la communauté. »

Quoi qu’il en soit, les chercheurs insistent bien sur le fait que cette étude ne remet pas du tout en cause la théorie du neutrino stérile. Elle montre simplement que cette ligne à 3,5 keV n’était pas causée par une désintégration de matière noire. Ce qui n’empêche pas de continuer à chercher dans l’espoir qu’un jour, le voile de mystère autour de cette question ne soit levé.

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