Le modèle binaire de la matière noire explique l'émission de rayons gamma du centre galactique et le « silence » des galaxies naines

Un nouveau concept théorique suggère que la matière noire, qui constitue environ 85 % de la masse de l'Univers, pourrait ne pas être une particule unique, mais un système binaire composé de deux éléments distincts. Cette hypothèse vise à résoudre des contradictions observationnelles de longue date qui remettaient en question les modèles monolithiques de la matière noire, comme ceux fondés sur les particules massives interagissant faiblement (WIMP).

Selon les conceptions standard, les WIMP, l'un des candidats les plus crédibles au rôle de matière noire, sont censées n'interagir que par la gravité et l'interaction nucléaire faible. Cependant, l'absence de données probantes sur les WIMP, notamment en provenance du Grand collisionneur de hadrons (LHC), oriente désormais les recherches vers des modèles alternatifs. L'innovation majeure du modèle de la « matière noire dSph-phobe » réside dans le fait que le comportement de la matière noire semble dépendre de son environnement, variant selon la densité locale et les forces gravitationnelles. Le modèle postule que pour détecter des signaux indirects, tels que l'émission de rayons gamma, la présence et l'interaction simultanées des deux composants de la matière noire sont nécessaires, provoquant ainsi leur annihilation.

Les chercheurs, dont Asher Berlin, Joshua Foster, Dan Hooper et Gordan Krnjaic, ont développé cette théorie avec le soutien d'institutions comme le Fermilab. La publication de leurs travaux intitulée « dSph-phobic dark matter » a été présentée dans le « Journal of Cosmology and Astroparticle Physics » (JCAP) le 9 avril 2026. Cette structure binaire explique directement l'énigme de l'excès de rayons gamma du centre galactique (GCE), un sursaut inexpliqué de rayons gamma capté par le télescope spatial Fermi. Cet excès, qui consiste en une accumulation de photons dans une région sphérique autour du disque de la Voie lactée, ne pouvait auparavant s'expliquer que par l'annihilation de la matière noire, mais son absence dans les galaxies naines sphéroïdales (dSph), malgré leur forte densité en matière noire, créait une contradiction majeure.

Les galaxies naines sont considérées comme des « laboratoires » idéaux pour tester cette hypothèse, car elles sont pauvres en gaz et en jeunes étoiles, ce qui réduit le bruit de fond provenant des pulsars ou des trous noirs. Le modèle de la « matière noire dSph-phobe » résout cette divergence en suggérant que dans les conditions de haute densité et de forte gravité du centre galactique, l'annihilation conjointe des deux composants se produit, générant ainsi le rayonnement gamma observé. Parallèlement, le potentiel gravitationnel plus faible des galaxies naines pourrait empêcher les particules les plus légères d'atteindre l'énergie cinétique nécessaire à la co-annihilation avec les plus lourdes, supprimant ainsi tout signal détectable. Gordan Krnjaic, du Fermilab, souligne que si la théorie d'un type unique de matière noire était correcte, nous devrions observer des émissions similaires dans d'autres régions présentant une forte concentration de cette substance.

La confirmation de cette dépendance environnementale, c'est-à-dire liée aux conditions locales, repose sur les résultats des relevés astronomiques à venir. La mission Euclid de l'Agence spatiale européenne (ESA) se présente comme un test crucial pour cette théorie, avec des données cosmologiques majeures attendues pour octobre 2026. Lancé en juillet 2023, le télescope Euclid utilise la méthode du lentillage gravitationnel pour créer une carte tridimensionnelle de la répartition de la matière noire, mesurant les distorsions de la lumière provenant de milliards de galaxies sur 10 milliards d'années d'histoire cosmique. D'ici la fin de sa mission de six ans, Euclid devrait observer plus de 1,5 milliard de galaxies, ce qui permettra soit de confirmer le modèle binaire, soit de privilégier des alternatives comme les signaux provenant de pulsars millisecondes. Les scientifiques espèrent que les futures données d'Euclid aideront à clarifier si les systèmes nains émettent réellement des rayons gamma, un point clé pour valider cette hypothèse.