La matière noire, qui constitue la majeure partie de la matière dans l'univers, n'est pas facile à voir. Elle est sombre. Et pourtant, il existe un moyen par lequel la matière noire (TM) peut, en un sens, briller.
Et comment est-il? Si un HM est constitué de particules qui sont elles-mêmes des antiparticules (comme c'est le cas pour les photons, les particules Z et les particules de Higgs, et probablement les neutrinos), il est possible que deux particules HM se rencontrent et s'annihilent (tout comme elles peuvent anéantir un électron avec un positron, ou deux photons), se transformant en quelque chose d'autre que nous pouvons probablement détecter - par exemple, en deux photons, ou toute autre particule et son antiparticule. Que nous soyons capables de détecter cet effet dépend de beaucoup de choses qui nous sont inconnues. Mais il n'y a rien de mal à rechercher ce phénomène, et il y a une très bonne raison d'essayer.
Comment espérons-nous le trouver?
Fig. 1Nous devons d'abord regarder le centre de notre galaxie, la Voie lactée. Tout comme un accident est susceptible d'être observé dans une circulation dense aux heures de pointe, des collisions de particules de matière noire peuvent très probablement être observées là où sa densité est la plus élevée. Et le plus grand c'est au centre des galaxies. La raison en est que (voir Fig.1) de gros morceaux de matière noire se forment autour des galaxies et des étoiles - en fait, la majeure partie de la masse de la Voie lactée est de la matière noire répartie sur une sphère rugueuse, bien que sa structure exacte soit inconnue et probablement assez compliqué. Les étoiles et les gros nuages atomiques à partir desquels ils se forment forment un disque rotatif avec des bras en spirale situés à l'intérieur de cette grande sphère et ayant une boule d'étoiles (
renflement ) au centre. Les étoiles dans le disque et le renflement sont susceptibles de s'accumuler aux endroits où la concentration de HM est la plus élevée. Ainsi, les collisions et l'annihilation subséquente, conduisant à l'apparition de particules que nous sommes potentiellement capables de détecter, peuvent se produire près du centre de la galaxie, nous devons donc développer des outils scientifiques qui peuvent regarder dans cette direction et rechercher des indices qu'une telle annihilation se produit.
Malheureusement, obtenir des indices n'est pas si facile, car il n'y a pas tellement de types de particules connues qui, lorsqu'elles sont créées dans l'anéantissement de la matière noire près du centre de la galaxie, peuvent atteindre la Terre. Les seules particules suffisamment longues pouvant atteindre la Terre sont les électrons, les antiélectrons (positrons), les protons, les antiprotons, plusieurs autres noyaux atomiques stables (hélium), les neutrinos, les antineutrinos et les photons. Mais les neutrinos (et les antineutrinos) sont extrêmement difficiles à détecter, et presque toutes les autres particules ont une charge électrique, de sorte que leurs chemins sont pliés et tordus dans le champ magnétique de la galaxie, c'est pourquoi ils n'atteignent jamais la Terre. Cela garantit également que s'ils venaient à nous, nous ne pourrions pas dire s'ils venaient du centre de la Galaxie ou non. Les photons restent les seules particules qui, d'une part, peuvent se déplacer directement du centre de la Galaxie vers la Terre, et d'autre part, sont facilement détectables.
Fig. 2Des photons inhabituels de haute énergie provenant du centre de la galaxie peuvent donner une bonne idée de l'annihilation de la MT, et presque nulle part ailleurs (Fig.2).
Cependant, cette stratégie présente de nombreux obstacles. Au centre de la Galaxie, de nombreux objets astronomiques inhabituels sont également collectés, qui émettent également des photons de haute énergie. Comment faire la distinction entre les photons provenant de l'annihilation de la MT et les photons provenant d'une classe inconnue de processus stellaires, qui peuvent être plus communs au centre de la galaxie qu'ailleurs?
Réponse: pas facile, sauf pour un cas particulier. Si les particules TM (ayant une certaine masse, disons M) peuvent parfois s'annihiler, transformant exactement deux photons, alors pour ces deux photons l'énergie de mouvement sera (avec une très bonne précision) l'énergie de masse Mc
2 des particules de matière noire. La raison est simple - elle est décrite dans un
article sur l'anéantissement des particules et des antiparticules et est illustrée sur la Fig. 3.
Fig. 3Si la particule et l'antiparticule sont pratiquement au repos, alors l'énergie de chacune d'elles est presque entièrement contenue dans la masse et est presque exactement égale à Mc
2 . Les impulsions des deux sont presque nulles. L'énergie et la quantité de mouvement sont conservées, de sorte que l'énergie totale est approximativement égale à 2 Mc
2 avant et après l'annihilation. Lorsqu'une particule et une antiparticule se transforment en une autre particule et antiparticule, les énergies des deux seront égales à Mc
2 . Habituellement, ce sera un mélange d'énergie de masse + s et d'énergie de mouvement. Dans le cas où la particule et l'antiparticule finales se révèlent être des photons sans masse et, par conséquent, de l'énergie de masse, toute leur énergie sera l'énergie du mouvement.
Nous ne connaissons pas la masse M de la particule TM et nous ne connaissons pas l'énergie des photons résultants. Mais puisque la masse est la même pour tous les électrons et la masse est la même pour tous les protons, et la masse pour toutes les particules TM est la même, chaque annihilation TM entraînera l'apparition de deux photons avec une énergie presque égale à Mc
2 . Et cela signifie que si nous utilisons un télescope spécial pour mesurer les photons de haute énergie émanant d'une zone proche du centre de la galaxie et construire un graphique du nombre de photons à partir de leur énergie, nous devrions nous attendre à ce que de nombreux processus astrophysiques créent de nombreux photons avec différentes énergies qui se formeront un arrière-plan lisse, mais les processus se produisant avec HM ajouteront un tas de photons de la même énergie - une rafale dominant le fond (voir Fig. 4). Il est presque impossible d'imaginer un objet astronomique, une étrange étoile qui serait assez simple pour créer une telle rafale - par conséquent, un signal sous la forme d'une rafale étroite sera une preuve claire du processus d'annihilation de paires de particules de TM.
Fig. 4Et c'est un moyen très puissant de rechercher la MT. Cela ne fonctionnera pas si les particules TM ne sont pas des antiparticules pour elles-mêmes et ne peuvent pas s'annihiler. Cela ne fonctionnera pas si les particules TM ne produisent pas très souvent des photons lors de l'annihilation. Mais ça peut marcher. Et il y a déjà des tentatives, dont la plus intéressante est l'utilisation
du télescope spatial à rayons gamma Fermi , une expérience avec un satellite travaillant dans l'espace et mesurant des photons provenant de partout dans le ciel, y compris ceux provenant du centre de la galaxie.