Les rayons gamma - la lumière la plus brillante et la plus puissante de l'univers - naviguent à travers le ciel invisible aux yeux des humains. Ces explosions de rayonnement exceptionnellement énergiques jaillissent des explosions de supernovae, se déclenchent des étoiles à neutrons en collision et jaillissent des trous noirs les plus affamés.
Lorsque les astronomes peuvent les attraper avec des télescopes à rayons gamma, ces feux d'artifice invisibles pointent vers certaines des structures les plus explosives de l'univers. Maintenant, une équipe internationale de chercheurs espère que ces rayons tout-puissants pourraient également conduire à quelque chose de bien plus étrange et plus insaisissable - la substance invisible connue sous le nom de matière noire.
Dans une nouvelle étude acceptée pour publication dans la revue Physical Review Letters, et détaillée sur la base de données de préimpression arXiv, les chercheurs ont examiné ce qu'ils appellent le "fond de rayons gamma non résolu" - c'est-à-dire tous les rayons gamma faibles et mystérieux les signaux qui restent après que des sources connues comme les trous noirs et les supernovas soient pris en compte. Lorsque l'équipe a comparé une carte des rayons gamma non résolus avec une carte de la densité de matière dans la même section de l'univers, ils ont constaté que les rayons s'alignaient précisément avec les zones massivement gravitationnelles où la matière noire devait se cacher.
Selon le co-auteur de l'étude Daniel Gruen, cette corrélation suggère que la matière noire pourrait être en grande partie responsable du faible fond de rayons gamma de l'univers. Si tel est le cas, cela pourrait donner aux astronomes des indices essentiels sur les propriétés de la substance mystérieuse.
"La matière noire pourrait se désintégrer comme un noyau radioactif, produisant des rayons gamma comme elle le fait", a déclaré à Live Science Gruen, astrophysicien au SLAC National Accelerator Laboratory du département de l'Énergie à l'Université de Stanford en Californie. "Ou peut-être que plusieurs particules de matière noire entrent en collision, produisant des rayons gamma lors de leur interaction."
Ondulations dans le noir
On pense que la matière noire représente environ 85% de la masse de l'univers, bien que les chercheurs ne sachent toujours pas quoi ni où elle se trouve. Totalement invisible pour les instruments scientifiques modernes, la substance n'a jamais été détectée avec succès.
"Nous connaissons cependant certaines des propriétés de la matière noire", a déclaré Gruen. "Nous savons que c'est très courant, et nous savons qu'il a une masse qui interagit gravitationnellement avec d'autres masses."
En d'autres termes, même si la matière noire est invisible, elle a un impact visible sur l'univers grâce à sa puissante gravité. L'un de ces impacts est connu sous le nom de lentille gravitationnelle - essentiellement, comment la lumière des galaxies lointaines est déformée par la gravité des objets massifs qu'elle passe sur son chemin vers la Terre.
Pour la nouvelle étude, les chercheurs ont examiné une carte des lentilles gravitationnelles dans un morceau particulier de l'univers, compilée par un projet appelé Dark Energy Survey (DES). Montée sur un télescope géant au Chili, la caméra dédiée à l'enquête a passé un an à capturer des images haute définition de centaines de millions de galaxies, en se concentrant sur les endroits où la lumière distante est la plus déformée par des poches de gravité intense. Alors que certaines des régions les plus massives sur la carte résultante correspondent à des galaxies connues, d'autres poches lourdes montrent probablement l'influence cachée de la matière noire au travail, a déclaré Gruen.
Pour mieux comprendre à quoi pourrait ressembler cette influence, les chercheurs ont comparé cette carte de masse à une carte des émissions de rayons gamma détectées dans la même région par le télescope à rayons gamma Fermi de la NASA au cours des neuf dernières années. À l'aide d'un modèle mathématique, l'équipe a éliminé tous les rayonnements qui pouvaient être définitivement liés à des sources "banales" comme les trous noirs et les supernovas, en fonction de leur puissance énergétique, de la distance et de divers autres facteurs.
Maintenant, avec seulement les mystérieuses sources de rayons gamma "non résolues", l'équipe a comparé les deux cartes. Ils ont vu un chevauchement clair entre les régions de rayonnement gamma élevé et les régions avec beaucoup de masse.
"C'est la première étude où nous avons été sûrs que, là où il y a beaucoup de rayons gamma, il y a aussi beaucoup de matière noire", a déclaré Gruen.
Si la matière noire émet réellement des rayons gamma, cela pourrait sérieusement réduire la façon dont elle est détectée et ce dont elle est réellement constituée. Cependant, il est toujours possible que le faible arrière-plan des rayons gamma sur la carte de Fermi n'ait rien à voir avec la matière noire, a déclaré Gruen. Le modèle mathématique que les chercheurs ont utilisé pour éliminer ces sources «banales» d'émissions de rayons gamma (comme les trous noirs) est basé sur certaines hypothèses sur les propriétés de ces objets. Si ces hypothèses sont erronées, des trous noirs éloignés pourraient être responsables de beaucoup plus de l'arrière-plan mystérieux des rayons gamma que les chercheurs ne l'ont expliqué.
"Peut-être que ce modèle est incomplet, et peut-être que nous apprenons quelque chose sur ces trous noirs émettant des rayons gamma", a déclaré Gruen. "Peut-être, ces trous noirs vivent dans des galaxies plus massives que nous ne le pensions."
Plus de données sur les rayons gamma et les lentilles gravitationnelles aideront l'équipe à affiner leur modèle et à mieux interpréter leurs cartes de l'univers. Depuis la conclusion de l'étude, le DES a collecté six fois plus d'informations sur la distribution de masse de l'univers, et le satellite FERMI reste l'un des nombreux télescopes à suivre les explosions de rayons gamma. Une étude de suivi montrant des résultats encore plus clairs devrait suivre dans les prochaines années, a déclaré Gruen.
