Un excès au GeV

Après seulement quelques mois d’observations par le Fermi/LAT, Goodenough & Hooper (2009) mettent en évidence un excès au GeV dans les degrés centraux de la Galaxie qu’ils tentent d’inter-préter comme un signe de matière noire. La région du centre Galactique est une des régions les plus

3.2. UNE ÉMISSION DIFFUSE

riches dans le domaine desγ aux énergies observées par le Fermi/LAT. L’émission γ de cette région est très compliquée à étudier car elle résulte de plusieurs processus : l’interaction entre les CRs et le gaz interstellaire (collision pp ou émission Bremsstrahlung des électrons/positrons), les interactions des électrons et positrons avec les différents champs de rayonnement par inverse Compton ainsi que de multiples sources individuelles comme les pulsars, les systèmes binaires ou les restes de super-nova. Un des candidats pour la matière noire, les WIMPs (weakly interacting massive particles), produiraient également des rayonsγ en s’auto-annihilant (Bergström, 2012) et ce signal est supposé être particulièrement fort dans la direction du centre Galactique. De plus, s’ajoute à cette émission centrale, celle liée aux bulles de Fermi.

Détectées au-delà de quelques GeV dès 2010 (Su et al., 2010; Dobler et al., 2010), les bulles de Fermi s’étendent sur plus de 10 kpc au-dessus et en-dessous du disque Galactique (figure 3.6). Avec plus de 4 ans de données, Ackermann et al. (2014) mettent en évidence un spectre présentant une coupure exponentielle autour de 100 GeV et d’indice spectral assez faible Γ = 1.9± 0.2. Aucune variation significative de ce spectre n’est observé sur l’ensemble de la structure. Ils estiment une luminosité située autour de 4.4× 1037erg s−1_{. Le mécanisme à l’origine de ces bulles est encore}

incertain. Différents arguments indiquent que ces bulles ont dû être formées par un évènement situé à l’intérieur ou proche du GC. Elles reflètent un échappement de particules de hautes énergies des parties centrales de la Galaxie vers le halo et serait la manifestation d’une activité passée très intense dans le centre Galactique, liée soit à une formation stellaire importante (Crocker & Aharonian, 2011) soit à des éruptions violentes en provenance du trou noir supermassif au centre (Guo & Mathews, 2012; Zubovas et al., 2012).

Figure 3.6 – Carte du ciel en intensité pour trois bandes en énergie d’après les données du Fermi/LAT. Crédits :Ackermann et al. (2014).

Avec un nombre d’heures d’observation toujours plus important et des techniques d’analyses de plus en plus robustes, il est clairement admis que la région des degrés centraux de la Galaxie présente un excès au GeV qui atteint son paroxysme autour de∼ 2-5 GeV (Gordon & Macías, 2013; Macias & Gordon, 2014; Calore et al., 2015; Daylan et al., 2016; Ajello et al., 2016). En utilisant plus de 6 ans de données ainsi que la nouvelle configuration d’analyse des évènements Pass 8, la collaboration Fermi/LAT a confirmé la présence de cet excès qui reste toujours significatif quelques soit les modèles d’émission interstellaire et les analyses utilisés (The Fermi-LAT Collaboration, 2017). Le spectre extrait est compatible avec celui extrait par d’autres études plus anciennes (figure 3.7.a). Il est très dépendant du modèle d’émission interstellaire utilisé ce qui explique l’importance des incertitudes, En particulier son flux peut varier d’un facteur 3 à quelques GeV en fonction des méthodes d’analyses.

Une étude approfondissant en détail les différents composantes de l’émissionγ au GC a confirmé que, dans cette région centrale de la Galaxie, un excès était également toujours significatif par rapport à l’émission diffuse et aux sources de la région (Ajello et al., 2016). Macias & Gordon (2014) suggèrent que cet excès est bien modélisé par une combinaison de deux modèles : une composante

(a) (b)

Figure 3.7 – Spectre de l’excès au GeV dans les degrés centraux utilisant les données du Pass 8 pour l’analyse des évènements (points bleus). Les bandes bleues correspondent aux incertitudes liées aux modèles d’émission interstellaire et aux catalogues de sources ponctuelles utilisés ainsi qu’aux configurations d’analyse choisies. Le spectre obtenu par des analyses plus anciennes est également indiqué. Crédits : Ackermann et al. (2017) (b) Spectre de l’émission obtenu avec les données du Fermi/LAT par Macias & Gordon (2014) (points rouges) de l’excès au GeV dans les 150 pc centraux et du spectre de l’émission diffuse au TeV déterminée par Aharonian et al. (2006a) (points bleus). Crédits : Macias & Gordon (2014).

à symétrie sphérique dans les deux degrés centraux et une composante supplémentaire dont la morphologie suit la distribution de gaz du CMZ dans les 200 pc centraux. L’ajustement de leur modèle à l’émission totale est amélioré par l’ajout d’un modèle fondé sur la carte d’émission diffuse détectée avec H.E.S.S. au TeV. Le spectre de cette dernière composante est représentée sur la figure 3.7.b. Pour l’origine de la composante sphérique, les modèles principaux sont l’annihilation de particules qui constitueraient la matière noire ou des sources non résolues comme une population de pulsar millisecondes. Cependant de Boer et al. (2016) révèlent que l’émission dans le disque serait très corrélée à la distribution de matière et pourrait provenir d’une interaction hadronique. La seconde composante est interprétée par des scénarios d’interaction leptonique ou hadronique des CRs avec les nuages moléculaires denses du CMZ (Macias & Gordon, 2014; Macias et al., 2015).

S’il y a un consensus largement admis aujourd’hui sur la présence de cet excès dans les degrés centraux, différentes explications quand à sa nature et sa morphologie existent. En effet, les grandes incertitudes sur les modèles d’émissionγ diffus rendent sa caractérisation très compliquée. L’inter-prétation la plus simple et la plus récente donnée par The Fermi-LAT Collaboration (2017) repose sur deux composantes : une première associée à la base des bulles de Fermi décalée à des longitudes négatives par rapport au GC et une deuxième possédant une symétrie azimutale autour du GC présentant un pic autour de 3 GeV.

Dans la section suivante, nous présentons certains modèles supposant une origine commune entre cette émission de haute énergie dans la partie centrale de la Galaxie et l’émission diffuse au TeV détectée avec H.E.S.S.