Le télescope Fermi a observé clairement un excès d'émission de rayons gamma au centre de notre galaxie, lequel apparaissait non sphérique et aplati. Appelé excès de centre galactique (ECG), cet excès de rayons gamma est une possible signature de la matière noire résultant de l'auto-annihilation de particules massives faiblement interactives (WIMP), une particule candidate à la matière noire. Cependant, l'excès de rayons gamma observé au centre galactique pourrait également être dû à d'anciens pulsars millisecondes (PMM). Jusqu'à présent, on pensait que la morphologie de l'ECG due à la matière noire (MD) serait sphérique. Une étude de simulation récente révèle que la morphologie des rayons gamma due à la MD pourrait être significativement non sphérique et aplatie. Cela signifie que les hypothèses d'annihilation de matière noire (MD) et de pulsars millisecondes (PMM) pour l'ECG observée sont tout aussi plausibles. Les rayons gamma produits lors de l'annihilation de la matière noire (MD) auraient une énergie extrêmement élevée, d'environ 0.1 téraélectronvolt (TeV). Les télescopes gamma standard ne peuvent détecter directement ces photons de haute énergie. Par conséquent, la confirmation du modèle d'excès de centre galactique (ECG) basé sur la matière noire (MD) serait possible après l'achèvement des études menées par les observatoires téra-γ tels que l'Observatoire du réseau de télescopes Cherenkov (CTAO) et l'Observatoire gamma à grand champ austral (SWGO).
L'histoire de la matière noire débute en 1933, lorsque Fritz Zwicky observe que les galaxies rapides de l'amas de Chevelure ne peuvent se maintenir ensemble et rester stables sans la présence de matière supplémentaire, invisible mais exerçant un effet gravitationnel suffisant pour empêcher les galaxies de se désagréger. Il invente le terme « matière noire » pour désigner cette matière invisible. Dans les années 1960, Vera Rubin apporte une contribution fondamentale à notre compréhension de la matière noire. Elle remarque que les étoiles situées aux extrémités d'Andromède et d'autres galaxies tournent à une vitesse aussi rapide que celle des étoiles se dirigeant vers le centre. Pour la somme donnée de toute la matière observée, la galaxie aurait dû se désagréger, nécessitant la présence de matière supplémentaire invisible qui maintient les galaxies ensemble et les fait tourner à grande vitesse. Ses mesures des courbes de rotation de la galaxie d'Andromède constituent les premières preuves de l'existence de la matière noire.
Nous savons maintenant que la matière noire n'interagit pas avec la lumière ni avec les forces électromagnétiques. Elle n'absorbe, ne réfléchit ni n'émet de lumière ni aucun autre rayonnement électromagnétique et est invisible, d'où son appellation sombre. Cependant, elle s'agrège gravitationnellement et exerce un effet gravitationnel sur la matière ordinaire, ce qui explique généralement sa présence dans l'espace. Les galaxies sont maintenues en équilibre par l'effet gravitationnel de la matière noire, qui représente jusqu'à 26.8 % de la masse énergétique de l'univers, tandis que l'univers observable, y compris toute la matière ordinaire baryonique qui nous compose, ne représente que 4.9 % de l'univers. Les 68.3 % restants de la masse énergétique de l'univers sont de l'énergie noire.
On ignore la véritable nature de la matière noire. Aucune particule fondamentale du Modèle Standard ne possède les propriétés requises pour constituer la matière noire. Peut-être que des « particules supersymétriques » hypothétiques, partenaires des particules du Modèle Standard, en seraient la source. Il se pourrait même qu'il existe un monde parallèle où la matière noire existe. Les WIMPs (particules massives interagissant faiblement), les axions et les neutrinos stériles sont des particules hypothétiques, au-delà du Modèle Standard, qui figurent parmi les candidats les plus prometteurs. Cependant, leur détection reste à ce jour infructueuse.
Plusieurs projets (tels que XENON Experiment, DarkSide-20k Project , EURECA Rxperiment et RES-NOVA ) sont actuellement en cours pour la détection directe de particules de matière noire. Il s'agit principalement de détecteurs à gaz rares liquides ou de détecteurs cryogéniques conçus pour détecter les faibles signaux provenant des interactions de particules de matière noire. Cependant, malgré de nombreuses approches novatrices, aucun projet n'a encore permis de détecter directement une particule de matière noire.
Pour une preuve indirecte de la matière noire, on peut rechercher ses effets gravitationnels, comme l'ont fait Fritz Zwicky et Vera Rubin pour la découvrir en étudiant la cohésion des galaxies malgré des vitesses disproportionnées par rapport à la matière ordinaire observée. Les effets gravitationnels de la lentille (déviation de la lumière) et les effets sur le mouvement des étoiles dans l'espace peuvent également fournir des preuves indirectes de la présence de matière noire. De plus, les produits d'annihilation (tels que les rayons gamma, les neutrinos et les rayons cosmiques) créés lorsque des particules de matière noire entrent en collision dans l'espace peuvent également indiquer la présence de matière noire. Un de ces endroits où la matière noire a été prédite sur la base des produits d'annihilation de particules de matière noire est le centre de notre galaxie, la Voie Lactée.
Détection de matière noire au centre de notre galaxie, la Voie Lactée
Des indices ont montré un excès de lueur diffuse micro-onde centrale au centre de la Voie Lactée (MW). Cet excès a été supposé dû à l'émission synchrotron des électrons et positons relativistes générés lors de l'annihilation de matière noire WIMP ; un signal gamma diffus étendu, dans la gamme d'énergie allant jusqu'à quelques centaines de GeV, a donc été prédit. Par la suite, le télescope Fermi à grand champ (LAT) a détecté ce signal gamma, identifié comme l'excès du centre galactique (EGC). On a rapidement compris que cet excès pouvait également être dû à de vieilles étoiles à neutrons (pulsars millisecondes). On pensait que la morphologie de l'EGC était importante : une EGC sphérique symétrique indiquerait une émission gamma provenant de l'annihilation de particules de matière noire (DM), tandis qu'une morphologie aplatie de l'EGC suggérerait une émission gamma provenant de pulsars millisecondes (MSP).
Une observation approfondie du centre galactique de la Voie lactée par le télescope à grand champ Fermi (LAT) a révélé une asphéricité aplatie. On associerait habituellement cette asphéricité aux étoiles vieilles (MSP), mais une étude récente publiée le 16 octobre 2025 a conclu que les morphologies de l'ECG prédites par les modèles d'annihilation des étoiles vieilles (MSP) et de la matière noire (DM) sont indiscernables.
Pour étudier la distribution de la matière noire, les chercheurs ont simulé la morphologie de galaxies de type MW (Voie Lactée). Ils ont constaté que les halos de matière noire autour des galaxies, ainsi qu'autour de leurs régions centrales, étaient rarement sphériques, contrairement au modèle anisotrope. L'analyse a plutôt montré une projection aplatie de la densité de matière noire pour toutes les galaxies. Cette distribution de matière noire (DM) non axisymétrique a également été démontrée par l'histoire de la fusion de la Voie Lactée au cours des trois premiers milliards d'années de l'histoire de l'Univers. La morphologie observée de la GCE est aplatie sur la région centrale, ce qui est généralement considéré comme caractéristique de la distribution des étoiles vieilles (MSP). Cette nouvelle étude a démontré que la matière noire (DM) génère une distribution cubique similaire. Ainsi, les hypothèses d'annihilation de matière noire (DM) et de pulsars millisecondes (MSP) pour la GCE observée sont tout aussi plausibles.
On saura si l'ECG observé est dû à la matière noire (MD) ou aux pulsars millisecondes (PMM) lorsque des observatoires gamma comme le Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO) et le Southern Wide-field Gamma-ray Observatory (SWGO) achèveront leurs études sur les rayons téra-gamma. Les rayons gamma produits par l'annihilation de la matière noire (MD) au centre galactique seraient des photons de très haute énergie, d'une énergie extrêmement élevée, d'environ 0.1 téraélectronvolt (TeV). Les télescopes gamma standard ne peuvent pas détecter directement ces photons de haute énergie. Les rayons téra-gamma constitueront une cible importante pour les futurs observatoires gamma comme le CTAO et le SWGO.
Cette étude constitue une avancée dans la détection de matière noire dans l'espace grâce à ses produits d'annihilation. Cependant, la présence de matière noire au centre galactique nécessiterait une confirmation future par des observatoires de rayons gamma de très haute énergie tels que CTAO ou SWGO. Une avancée bien plus significative dans la science de la matière noire serait la détection directe de toute particule de matière noire.
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Références:
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- Institut de physique corpusculaire. À la recherche de la matière noire : une nouvelle approche pour détecter l'invisible. 22 août 2025. Disponible à l'adresse suivante : https://webific.ific.uv.es/web/en/content/search-dark-matter-new-approach-detecting-invisible
- Muru MM, et al. 2025. Morphologie de la matière noire en excès au centre galactique Fermi-LAT dans les simulations de la Voie lactée. Physical Review Letters. 135, 161005. Publié le 16 octobre 2025. DOI : https://doi.org/10.1103/g9qz-h8wd Version préliminaire sur arXiv. Soumis le 8 août 2025. DOI : https://doi.org/10.48550/arXiv.2508.06314
- Université Johns Hopkins. Actualités – Une mystérieuse lueur dans la Voie lactée pourrait être la preuve de la présence de matière noire. Publié le 16 octobre 2025. Disponible sur https://hub.jhu.edu/2025/10/16/mysterious-glow-in-milky-way-dark-matter/
- Institut Leibniz d'astrophysique. Actualités – La Voie lactée présente un excès de rayons gamma dû à l'annihilation de la matière noire. Publié le 17 octobre 2025. Disponible sur https://www.aip.de/en/news/milkyway-gammaray-darkmatter-annihilation/
- Télescope spatial à rayons gamma Fermi. Disponible à https://science.nasa.gov/mission/fermi/
- Observatoire du réseau de télescopes Tcherenkov (CTAO). Disponible à https://www.ctao.org/emission-to-discovery/science/
- L'Observatoire gamma à grand champ du Sud (SWGO). Disponible à https://www.swgo.org/SWGOWiki/doku.php?id=swgo_rel_pub
- Observatoire de Tartu. La face cachée de l'Univers. Disponible sur https://kosmos.ut.ee/en/dark-side-of-the-universe
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, this excess γ-ray is a possible signature of dark matter arising as a product of self-annihilations of weakly interacting massive particles (WIMPs), a dark matter particle candidate. However, the excess γ-ray observed at the galactic centre may also be due to old millisecond pulsars (MSPs). Hitherto, it was held that the morphology GCE due to dark matter (DM) would be spherical. A recent simulation study reveals that gamma-ray morphology due to DM could be significantly nonspherical and flattened. This means both dark matter (DM) annihilations and millisecond pulsars (MSPs) hypotheses for the observed GCE are equally possible. The gamma rays produced in the annihilation of dark matter (DM) would have an extremely high energy level of approximately 0.1 tera-electron-volts (TeV). The standard gamma-ray telescopes cannot detect these high-energy photons directly. Hence, confirmation of dark matter (DM) model of Galactic Centre Excess (GCE) would be possible upon completion of studies by the tera γ-ray observatories like CTAO and SWGO.){kind=link}