Matière noire : le rayonnement cosmique de fond diffus dans le visible trahit-il sa désintégration ?

Nombreux, sans doute, sont ceux qui ont entendu parler du Cosmic microwave background (CMB) plus connu en français sous le nom de « Fond diffus cosmologiqueFond diffus cosmologique » ou encore tout simplement de rayonnement fossile. Ceux qui ont entendu parler du Fond diffus infrarouge (Cosmic infrared background) ou CIB sont probablement aussi rares que ceux qui connaissent également le Fond diffus dans le visible, c'est-à-dire le Cosmic optical background.

Le COB, comme le CIB, est une superposition non résolue de tous les astres et distributions de matière observés dans une bande de longueur d'onde. C'est une sorte de bruit de fond dans le visible sur la voûte céleste qui resterait si on éteignait toutes les sources de lumière dans la Voie lactéeVoie lactée. Il provient donc de toutes les sources en dehors de notre GalaxieGalaxie -- incidemment, on appelle la lumière d'arrière-plan extragalactique, c'est-à-dire l'Extragalactic background light ou EBL en anglais, l'intensité de l'ensemble du rayonnement électromagnétique émis au cours de l'histoire de l'UniversUnivers... hors le rayonnement fossilefossile.

On peut évaluer théoriquement le COB et même le mesurer, ce qui a été rendu possible par les instruments à bord de la sonde New HorizonsNew Horizons (plus précisément des images fournies par Lorri, le Long Range Reconnaisance Imager) qui a survolé PlutonPluton et qui finira un jour par quitter complètement le Système solaireSystème solaire pour voguer dans le milieu interstellaire comme les sondes Voyager et Pioneer.

Un Fond diffus dans le visible deux fois plus brillant que prédit

Curieusement, le COB est plus brillant que prévu d'un facteur 2 comme l'a expliqué il y a quelques années un article sur arXiv. Bien évidemment, les théoriciens se sont penchés sur cette énigme et, tout récemment, un article a été publié dans Physical Review Letters à ce sujet. José Luis Bernal, Gabriela Sato-Polito et Marc Kamionkowski, tous trois de l'Université Johns Hopkins dans le Maryland (USA) proposent que cet excès pourrait être causé par des particules de matière noirematière noire se désintégrant en photonsphotons, plus précisément des avatarsavatars des fameux axionsaxions.

Ces particules de matière noire, de massemasse très légère, proposées dans le cadre de plusieurs théories au-delà du modèle standardmodèle standard de la physiquephysique des hautes énergiesénergies, comme la théorie des cordes, sont devenues plus sérieusement considérées encore après les multiples échecs des expériences conçues pour traquer des particules de matière noire lourdes, les Wimps.

Les axions devraient former un bain de très nombreuses particules aussi fantomatiques que celui des neutrinos cosmologiques et ils devraient eux aussi avoir été formés pendant le Big BangBig Bang. On sait donc qu'ils sont très légers mais pas précisément de combien (en supposant qu'ils existent) et qu'ils interagissent faiblement avec le champ électromagnétiquechamp électromagnétique. On ne sait pas plus précisément quelle masse ils possèdent qu'avec quelle intensité ils se couplent à la lumière même si on a des contraintes expérimentales et théoriques sur ces valeurs, nécessairement très faibles.

Dans l'hypothèse considérée par les trois physiciensphysiciens et cosmologistes états-uniens, les axions qui se désintégreraient en expliquant l'anomalieanomalie du COB auraient des masses comprises entre 8 et 20 eV, ce qui est très peu quand on se souvient qu'un protonproton pèse environ un milliard d'eV.

Ils pensent pouvoir tester leur théorie avec les mesures que fournira, après son lancement à l'horizon 2025, la mission de la NasaNasa nommée SPHEREx (acronyme de Spectro-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization, and Ices Explorer).