Le diapason de la matière noire : comment les axions accordent le ciel radio ✛ ✎

Le radiomètre ARCADE2, embarqué sur un ballon stratosphérique, a détecté un excès de rayonnement radio, tandis que l'expérience au sol EDGES a observé un creux anormalement profond dans le spectre de l'hydrogène à 21 cm. Ces deux signaux ne s'intègrent pas dans le modèle cosmologique standard et pointent vers une source inconnue de photons mous. Comme un diapason accordé sur la fréquence de l'Univers en expansion, l'axion résonne avec le plasma primordial, se transformant en photons et laissant une trace dans le ciel radio.

Dans ce nouveau travail, la conversion axion-photon est examinée dans un contexte cosmologique : les auteurs dérivent la probabilité de conversion à partir des premiers principes dans un Univers en expansion avec la métrique de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker. La prise en compte du plasma donne au photon une masse effective dépendant de la densité électronique. La résonance se produit lorsque cette masse s'égalise avec la masse de l'axion. Pour une masse d'axion de 2×10⁻¹⁴ eV, la résonance se produit au décalage vers le rouge z≈21.6, et pour 2×10⁻¹³ eV, à z≈103.8. La modélisation de champs magnétiques primordiaux stochastiques avec une amplitude B0 de 0.1 à 1 nG montre que des particules de type axion avec une masse ~10⁻¹⁴–10⁻¹² eV et des champs presque invariants d'échelle au niveau nano-gauss expliquent à la fois ARCADE2 et EDGES.

Avec une amplitude de champ magnétique B0=0.45 nG et un spectre invariant d'échelle, le modèle reproduit l'excès radio d'ARCADE2 : χ²_min≈48 pour nB=−3 et nB=−2.75 avec B0=0.44 nG et 0.58 nG respectivement, avec une pente de spectre de puissance β≈−2.34 (pour χ²≲100, β∈[−2.6,−2.3]). Pour expliquer le creux d'EDGES, il faut que la contribution des photons axioniques au fond de rayonnement soit ξ=5–20% pour un spectre invariant d'échelle et ξ=40–100% pour un spectre presque invariant d'échelle, en raison du chauffage par diffusion ambipolaire et décroissance turbulente. Les paramètres admissibles sont : masse de l'axion 10⁻¹⁴–10⁻¹² eV, constante de couplage g_φγ~5×10⁻¹³ GeV⁻¹, champ magnétique B0~0.1–0.9 nG. Le modèle est cohérent avec les contraintes sur les champs magnétiques primordiaux du CMB (B0<4.4 nG) et sur ΔN_eff (ΔN_eff≲0.17).

Ce travail montre pour la première fois que les observations globales à 21 cm peuvent être sensibles aux axions et au magnétisme primordial, ouvrant une nouvelle fenêtre sur la physique au-delà du modèle standard. Dans les années à venir, les expériences LEDA, PRIZM, REACH et les missions PIXIE, PRISM devraient préciser le spectre du fond radio et le signal à 21 cm. L'analyse conjointe de ces données avec les contraintes sur les distorsions spectrales du CMB permettra de vérifier les prédictions du modèle. Le diapason est accordé : il ne reste plus qu'à entendre la note pure.