La désintégration des axions pourrait-elle être à la base d’un bruit de fond optique cosmique excessif ?

Le fond optique cosmique (COB) est la lumière visible émise par toutes les sources extérieures à la Voie lactée. Cette faible lueur de lumière, qui ne peut être observée qu’à l’aide de télescopes très précis et sophistiqués, pourrait aider l’astrophysique à en savoir plus sur les origines de l’univers et ce qui se trouve au-delà de notre galaxie.

L’année dernière, des physiciens travaillant dans différents instituts à travers les États-Unis ont publié les mesures COB les plus précises recueillies à ce jour, recueillies par le vaisseau spatial New Horizons, une sonde spatiale interplanétaire lancée par la NASA il y a plus de dix ans. Ces mesures suggèrent que le COB est deux fois plus brillant que les prédictions théoriques.

Des chercheurs de l’Université Johns Hopkins ont récemment mené une étude théorique explorant la possibilité que cet excès de lumière observé puisse être causé par la pourriture d’un type hypothétique de particules de matière noire, appelées axions. Dans leur article publié en Lettres d’examen physiqueils ont montré que des axions de masses comprises entre 8 et 20 eV pouvaient potentiellement expliquer l’excès de flux COB mesuré par l’équipe New Horizons.

“Marc Postman est un collègue de l’autre côté de la rue qui est un cosmologiste d’observation incroyable, et donc quand son article avec Todd Lauer et l’équipe de New Horizons est apparu, je l’ai remarqué et je l’ai lu”, a déclaré Marc Kamionkowski, l’un des chercheurs qui a mené l’étude, à Phys.org.

“La mesure qu’ils ont collectée est un excellent exemple de réaffectation intelligente d’un puissant observatoire astronomique à des fins différentes de celles pour lesquelles il a été conçu. Nous avons envoyé cet incroyable petit vaisseau spatial vers Pluton il y a des années, et il a fait tout ce qu’il était censé faire, mais il avait pas de freins, et continue de s’éloigner de plus en plus du soleil sans grand-chose à faire. Marc et Todd ont réalisé qu’il pouvait être utilisé pour détecter – pour la toute première fois – le fond cosmique des photons optiques de toutes les galaxies non résolues du univers, et il l’a fait.”

Après avoir lu l’article de Lauer et ses collègues, Kamionkowski s’est rendu compte que si l’excès qu’ils mesuraient était en fait attribué à la désintégration des axions, cela pourrait être potentiellement confirmé en utilisant les données cosmologiques disponibles. Plus précisément, cet excès serait détecté avec un rapport signal sur bruit élevé lors de SPHEREx, une mission de la NASA prévue sur deux ans qui enverra un observatoire spatial proche infrarouge dans l’espace pour collecter de nouvelles mesures potentiellement précieuses.

“Nos calculs sont d’une simplicité embarrassante, car ce sont les types de calculs que nous et des tonnes d’autres personnes faisons depuis des années”, a expliqué Kamionkowski. “L’idée que la désintégration à deux photons d’un axion pourrait conduire à un signal cosmique était déjà là quand j’étais étudiant diplômé il y a plus de 30 ans. Notre travail consiste simplement à additionner les photons de tous ceux produits par la désintégration des axions au cours du temps, une simple intégrale. Nous avons dû intégrer correctement certains facteurs de décalage vers le rouge cosmique, mais c’est un problème de devoirs dans un cours de cosmologie typique.”

Dans l’ensemble, les calculs effectués par Kamionkowski et ses collègues mettent en évidence la possibilité de confirmer ou d’infirmer le lien entre la désintégration de la matière noire de l’axion et l’excès de COB récemment observé en utilisant les futures mesures de cartographie d’intensité de ligne (LIM) qui seront collectées par le satellite SPHEREx de la NASA.

SPHEREx devrait être lancé en 2025, collectant des signaux de mesure dans le proche infrarouge provenant d’environ 450 millions de galaxies. Les chercheurs de Johns Hopkins ont déjà publié un document de suivioù ils ont exploré la cohérence du scénario de désintégration des axions avec les contraintes existantes au COB de rayons gamma.

“Le télescope Fermi de la NASA a obtenu les spectres d’énergie des rayons gamma de plus de 800 blazars, et les rayons gamma les plus énergétiques peuvent être atténués par la production de paires électron-positon via la diffusion avec des photons COB”, a ajouté Kamionkowski.

“Dans notre nouvelle étude, nous avons modélisé l’atténuation attendue de cette diffusion COB et en comparant avec les données de Fermi, nous avons pu placer une limite supérieure au fond COB de la désintégration de la matière noire, ce qui était toujours cohérent avec l’excès de COB déduit de New Horizons. .

“Mon étudiante Gabriela Sato-Polito a également travaillé avec Dan Grin (Haverford College) à la recherche d’images VLT profondes de plusieurs amas à décalage vers le rouge élevé pour les lignes de désintégration de la matière noire. Ces mesures devraient nous permettre de sonder certains, mais pas tous, de l’espace des paramètres pour la désintégration de la matière noire compatible avec l’excès de New Horizons.”

© 2022 Réseau Science X