Premier balayage de la région centrale de la Voie Lactée en rayons gamma de très hautes énergies

Publié par Redbran le 02/08/2022 à 13:00
Source: CEA IRFU
La collaboration H.E.S.S. a mené depuis plusieurs années une vaste campagne d'observations pour couvrir plusieurs centaines de parsecs autour du centre Galactique. Cette campagne d'observations coordonnée par un membre de l'Irfu/DPhP a pour but d'atteindre la meilleure sensibilité possible pour la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) de signaux de matière noire (En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre), traduction de l’anglais...) et d'éjecta de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) provenant de Sagittarius A*. Les résultats sur la recherche de matière noire menée par une équipe de l'Irfu/DPhP ont été soumis à la revue Physical Review Letters.


Vue des télescopes H.E.S.S. situés dans le désert (Le mot désert désigne aujourd’hui une zone stérile ou peu propice à la...) de Namibie, en arrière-plan la voie lactée (La Voie lactée (appelée aussi « notre galaxie », ou parfois...) (crédit: Bastien Foucher)

La région centrale de notre galaxie (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec...), la Voie Lactée, abrite de nombreuses sources astrophysiques émettant des rayons gamma aux très hautes énergies (>100 GeV). Parmi elles, se trouvent le trou noir supermassif (En astrophysique, un trou noir supermassif est un trou noir dont la masse est d'environ un million...) Sagittarius A* susceptible d'être à l'origine de l'accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique,...) de rayons cosmiques à des énergies du pétaelectronvolts (1 PeV = 106 GeV), ou encore la base des bulles de Fermi, deux structures géantes en forme de lobes s'étendant sur plus de 10 kiloparsecs (1 parsec (Le parsec (symbole pc) est une unité de longueur utilisée en astronomie. Son nom vient de la...) = 3,26 années-lumière = 3.085x1016 m) de part et d'autre du disque (Le mot disque est employé, aussi bien en géométrie que dans la vie courante, pour désigner une...) Galactique dont l'origine est encore inconnue. La région centrale de notre galaxie (Une galaxie est, en cosmologie, un assemblage d'étoiles, de gaz, de poussières et de...) est également prédite comme la source la plus brillante d'annihilation de particules de matière noire et est un lieu privilégié pour tenter d'en comprendre la nature.

Le centre de la Voie Lactée est un environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...) riche et complexe avec de nombreuses sources astrophysiques (pulsars, vestiges de supernova (Une supernova est l'ensemble des phénomènes conséquents à l'explosion d'une...), le trou noir (Le Trou noir (The Black Hole) est un film de science-fiction réalisé par Gary Nelson,...) supermassif Sagittarius A*, ...) sièges de l'accélération de rayons cosmiques dont l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) produit des rayons gamma aux très hautes énergies (THE, > 100 GeV).

Le Centre Galactique (CG) joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les...) très probablement un rôle majeur dans l'accélération de rayons cosmiques dans notre Galaxie: la détection d'émission diffuse avec H.E.S.S. jusqu'à plusieurs dizaines de TeV montre un gradient de la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) de rayons cosmiques en direction du CG faisant de cette région le premier Pevatron Galactique. La présence de structures bipolaires, appelées bulles de Fermi, d'origine physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) encore inconnue, suggère que les objets ou processus de formation les alimentant se produisent à moins d'une centaine de parsecs du CG.

Cette région est également d'un intérêt tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) particulier car elle est attendue comme la plus brillante en rayons gamma provenant d'annihilations de WIMPS, des particules de matière noire massive (Le mot massif peut être employé comme :) interagissant par interaction faible avec la matière ordinaire et avec elles-mêmes. Les observations effectuées avec les réseaux de télescopes à effet Tcherenkov (L'effet Tcherenkov est un phénomène similaire à une onde de choc, produisant un flash de...) atmosphérique permettent de détecter des rayons gamma au-delà d'une vingtaine de GeV et sont uniques pour étudier les processus astrophysiques les plus violents à l'œuvre au cœur de notre Galaxie.


Figure 2: Carte d'exposition (en heures) obtenue avec les observations des cinq télescopes de H.E.S.S. entre 2014 et 2020 en coordonnées galactiques. Le triangle noir indique la position du trou noir (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense...) supermassif Sagittarius A*. Les positions de pointés définies pour les observations menées à partir de 2016 sont marquées par les croix en noir (les chiffres sont seulement leurs noms). A la distance du centre galactique (environ 8.5 kpc), un angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts...) de 1° représente 150 parsecs.

La collaboration H.E.S.S. mène depuis plusieurs années un programme d'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) intensif pour balayer la région centrale de la Voie Lactée sur plusieurs centaines de parsecs. Les observations sont effectuées en mode balayage avec les cinq télescopes du réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des...) H.E.S.S. pointant sur une grille ( Un grille-pain est un petit appareil électroménager. Une grille écran est un...) de positions de pointé préalablement définies. La prise de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) est effectuée sous des conditions d'obscurité totale, c'est-à-dire sans Lune (La Lune est l'unique satellite naturel de la Terre et le cinquième plus grand satellite du...), avec un angle zénithal d'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) inférieur à 40°, en exigeant que deux des cinq télescopes au moins détectent sur le même événement, dans le but d'obtenir la meilleure sensibilité possible.

A ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...), ce balayage inclus 6 ans de prise de données depuis 2014, représentant plus de 500 heures (L'heure est une unité de mesure  :) de données de haute qualité d'observation après application des critères de sélection. Avec le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de vue de H.E.S.S. de 5°, un temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) d'exposition d'au moins 10 heures est obtenu jusqu'à des latitudes galactiques de +7°. Le figure 2 montre la carte d'exposition obtenue avec la campagne (La campagne, aussi appelée milieu rural désigne l'ensemble des espaces cultivés...) d'observation 2014-2020.

Avec ce jeu de données sans précédent, une analyse de données avec une étude approfondie des incertitudes systématiques a été mise en place pour rechercher un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe...) d'annihilations de particule de type WIMPs. Avec l'exposition obtenue, ce signal a été recherché dans 25 régions d'intérêt jusqu'à 3° autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) du CG. Aucun excès significatif d'événements par rapport au bruit de fond (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son....) n'a été trouvé dans les régions considérées.


Figure 3: Comparaison des contraintes actuelles sur la section efficace d'annihilation dans le canal W+W. Les régions au-dessus des courbes sont exclues par les différentes expériences. La ligne noire montre la limite obtenue pour le relevé H.E.S.S vers le centre Galactique pour le balayage fait entre 2014 et 2020. Sont représentées également les limites obtenues avec d'autres expériences: avec l'instrument HAWC vers le Centre Galactique (courbe en violet), avec Fermi-LAT à partir des observations de 15 galaxies naines satellites (Satellite peut faire référence à :) de la Voie Lactée (courbe en gris) et du Centre Galactique (courbe en rose), celles provenant de la mesure du fond diffus de rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) cosmologique avec PLANCK (courbe en rouge), et celles obtenues par H.E.S.S. en 2016 (courbe en jaune).

Les limites sur un signal de matière noire ont été calculées à l'aide d'un test statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon....) (TS) de vraisemblance utilisant les caractéristiques spectrale et spatiale du signal recherché par rapport au bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son....) de fond. Comme aucun excès significatif n'a été détecté, les résultats sont présentés sous la forme d'une valeur limite supérieure de la section efficace d'annihilation, qui dépend du canal d'annihilation considéré: en paires de quarks, de leptons, de bosons de jauge ( En tant qu'instrument de mesure : Une jauge est un instrument de mesure. On trouve par...) et de Higgs. La figure 3 montre ces limites en fonction de la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) supposé du WIMP dans le canal d'annihilation en paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts...) de bosons W+W- (les valeurs au-dessus des courbes sont exclues par les différentes expériences).

On observe qu'à partir de 300 GeV les résultats de H.E.S.S., présentés ici, sont les plus contraignants. Dans le canal d'annihilation W+W-, la meilleure limite obtenue vaut 3.7x10-26 cm3/s pour une masse de WIMP de 1.5 TeV. Cette limite est juste au-dessus de la valeur de la section efficace d'annihilation de 3x10-26 cm3/s attendue pour des WIMPs produits thermiquement dans l'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) primordial. L'étau (Un étau est un dispositif mécanique qui permet la « mise en position » et le...) se resserre sur la matière noire au TeV et les résultats des nouvelles campagnes de mesure sont attendus avec impatience.

La campagne d'observations menée avec les cinq télescopes du réseau H.E.S.S. pour sonder la région centrale de la Voie Lactée sur plusieurs centaines de parsecs a été très fructueuse. Le lot de données actuel est unique à ce jour, il permet de tester les modèles de WIMPs et fournit des informations de premier plan sur le paradigme des WIMPs à l'échelle du TeV pour la matière noire. Ce jeu de données sans précédent permet d'explorer l'espace des paramètres de modèles de particules de matière noire de masses au multi-TeV comme les candidats supersymétriques que sont le Wino et le Higgsino prédits dans les extensions du Modèle Standard de la physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants...).

Le balayage de la région centrale de notre galaxie sera poursuivi dans la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) d'extension de H.E.S.S. jusqu'à l'automne (L'automne est l'une des quatre saisons des zones tempérées. Elle se place entre l'été et...) 2024 avec des observations pour les latitudes Galactiques négatives sur une grille de positions symétrique à l'existante par rapport au plan Galactique. L'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) de ces observations constituera un héritage important de H.E.S.S. à l'astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer...) gamma de très hautes énergies. Ces observations, leur mise en œuvre, l'étude des effets systématiques dans cette région complexe du ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.) sont cruciales pour préparer et optimiser le balayage du centre Galactique prévu avec le futur réseau CTA.

Contacts:
Emmanuel Moulin (Un moulin est une machine à moudre les grains de céréale en farine et, par analogie,...), Alessandro Montanari

Pour en savoir plus:
Arxiv: https://arxiv.org/abs/2207.10471 - Phys. Rev. Lett. Reference

News H.E.S.S.:
Un numéro des "Savanturiers" sur la Matière Noire: https://www.cea.fr/multimedia/Pages/editions/les-savanturiers/lumiere-sur-la-matiere-noire.aspx

References suppléméntaires:
- Acceleration of petaelectronvolt protons in the Galactic Centre, Nature 531, 476 (2016)
- Search for dark matter annihilations towards the inner Galactic halo from 10 years of observations with H.E.S.S., Phys. Rev. Lett. 117, 111301 (2016)
- Pevatron at the Galactic Center: Multi-Wavelength Signatures from Millisecond Pulsars, JCAP 1807, 042 (2018)
- Search for γ-ray line signals from dark matter annihilations in the inner Galactic halo from ten years of observations with H.E.S.S., Phys. Rev. Lett 120, 201101 (2018)
- Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire...) with the Cherenkov Telescope Array, Dark matter programme, World Scientific, pp. 45-81 (2019)
- Prospects for detecting heavy WIMP dark matter with the Cherenkov Telescope Array: The Wino and Higgsino, Phys. Rev. D 103 (2021) 02301
- Search for TeV emission from the Fermi Bubbles at low Galactic latitudes with H.E.S.S. inner Galaxy survey observations, PoS ICRC2021 (2021) 791
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