Des scientifiques identifient les origines d’un sursaut radio rapide

Les sursauts radio rapides sont de brèves et brillantes explosions d’ondes radio émises par des objets extrêmement compacts tels que des étoiles à neutrons et éventuellement des trous noirs. Ces feux d’artifice éphémères ne durent qu’un millième de seconde et peuvent transporter une énorme quantité d’énergie, suffisamment pour éclipser brièvement des galaxies entières.

Depuis la découverte du premier sursaut radio rapide (FRB) en 2007, les astronomes ont détecté des milliers de FRB, dont les emplacements s’étendent de l’intérieur de notre propre galaxie jusqu’à 8 milliards d’années-lumière. La manière exacte dont ces éruptions radio cosmiques sont lancées est une inconnue très controversée.

Aujourd’hui, les astronomes du MIT ont identifié les origines d’au moins un sursaut radio rapide en utilisant une nouvelle technique qui pourrait faire de même pour d’autres FRB. Dans leur nouvelle étude, apparaissant dans la revue Naturel’équipe s’est concentrée sur FRB 20221022A, un sursaut radio rapide découvert précédemment et détecté dans une galaxie située à environ 200 millions d’années-lumière.

L’équipe a approfondi ses recherches pour déterminer l’emplacement précis du signal radio en analysant sa « scintillation », semblable à la façon dont les étoiles scintillent dans le ciel nocturne. Les scientifiques ont étudié les changements dans la luminosité du FRB et ont déterminé que l’explosion devait provenir du voisinage immédiat de sa source, plutôt que de beaucoup plus loin, comme le prédisaient certains modèles.

L’équipe estime que FRB 20221022A a explosé depuis une région extrêmement proche d’une étoile à neutrons en rotation, à 10 000 kilomètres au maximum. C’est moins que la distance entre New York et Singapour. À une distance aussi proche, l’explosion a probablement émergé de la magnétosphère de l’étoile à neutrons, une région hautement magnétique entourant immédiatement l’étoile ultracompacte.

Les découvertes de l’équipe fournissent la première preuve concluante qu’un sursaut radio rapide peut provenir de la magnétosphère, l’environnement hautement magnétique entourant immédiatement un objet extrêmement compact.

« Dans ces environnements d’étoiles à neutrons, les champs magnétiques sont vraiment aux limites de ce que l’univers peut produire », explique l’auteur principal Kenzie Nimmo, postdoctorant à l’Institut Kavli d’astrophysique et de recherche spatiale du MIT. « Il y a eu de nombreux débats sur la question de savoir si cette émission radio brillante pourrait même s’échapper de ce plasma extrême. »

« Autour de ces étoiles à neutrons hautement magnétiques, également connues sous le nom de magnétars, les atomes ne peuvent pas exister : ils seraient simplement déchirés par les champs magnétiques », explique Kiyoshi Masui, professeur agrégé de physique au MIT.

« Ce qui est passionnant ici, c’est que nous constatons que l’énergie stockée dans ces champs magnétiques, proches de la source, se tord et se reconfigure de telle sorte qu’elle peut être libérée sous forme d’ondes radio que nous pouvons voir à l’autre bout de l’univers. »

Les co-auteurs de l’étude au MIT comprennent Adam Lanman, Shion Andrew, Daniele Michilli et Kaitlyn Shin, ainsi que des collaborateurs de plusieurs institutions.

Taille de l’éclatement

Les détections de sursauts radio rapides se sont multipliées ces dernières années, grâce à l’expérience canadienne de cartographie de l’intensité de l’hydrogène (CHIME). Le réseau de radiotélescopes comprend quatre grands récepteurs fixes, chacun en forme de demi-tuyau, réglés pour détecter les émissions radio dans une plage très sensible aux sursauts radio rapides.

Depuis 2020, CHIME a détecté des milliers de FRB partout dans l’univers. Même si les scientifiques s’accordent généralement sur le fait que les sursauts proviennent d’objets extrêmement compacts, la physique exacte qui régit les FRB n’est pas claire.

Certains modèles prédisent que les sursauts radio rapides devraient provenir de la magnétosphère turbulente entourant immédiatement un objet compact, tandis que d’autres prédisent que les sursauts devraient provenir de beaucoup plus loin, dans le cadre d’une onde de choc qui se propage loin de l’objet central.

Pour faire la distinction entre les deux scénarios et déterminer où se produisent les sursauts radio rapides, l’équipe a considéré la scintillation, l’effet qui se produit lorsque la lumière provenant d’une petite source lumineuse telle qu’une étoile, filtre à travers un milieu, tel que le gaz d’une galaxie.

Lorsque la lumière des étoiles filtre à travers le gaz, elle se courbe de manière à donner l’impression, à un observateur éloigné, que l’étoile scintille. Plus un objet est petit ou éloigné, plus il scintille. La lumière provenant d’objets plus grands ou plus proches, tels que les planètes de notre propre système solaire, subit moins de courbure et ne semble donc pas scintiller.

L’équipe a estimé que s’ils pouvaient estimer le degré de scintillement d’un FRB, ils pourraient déterminer la taille relative de la région d’où provient le FRB. Plus la région est petite, plus l’éclatement sera proche de sa source et plus il est probable qu’il provienne d’un environnement magnétiquement turbulent. Plus la région est grande, plus l’éclatement serait éloigné, ce qui conforte l’idée selon laquelle les FRB proviennent d’ondes de choc lointaines.

Motif scintillant

Pour tester leur idée, les chercheurs se sont penchés sur le FRB 20221022A, un sursaut radio rapide détecté par CHIME en 2022. Le signal dure environ deux millisecondes et est un FRB relativement ordinaire en termes de luminosité.

Cependant, les collaborateurs de l’équipe de l’Université McGill ont découvert que le FRB 20221022A présentait une propriété remarquable. La lumière provenant de l’éclat était fortement polarisée, l’angle de polarisation traçant une courbe lisse en forme de S. Cette tendance est interprétée comme une preuve que le site d’émission du FRB est en rotation, une caractéristique précédemment observée chez les pulsars, qui sont des étoiles à neutrons en rotation hautement magnétisées.

Observer une polarisation similaire dans des sursauts radio rapides était une première, suggérant que le signal pourrait provenir du voisinage immédiat d’une étoile à neutrons. Les résultats de l’équipe de McGill sont signalé dans un article complémentaire dans Nature.

L’équipe du MIT a réalisé que si FRB 20221022A provenait d’une étoile à neutrons, elle devrait pouvoir le prouver en utilisant la scintillation.

Dans leur nouvelle étude, Nimmo et ses collègues ont analysé les données de CHIME et ont observé de fortes variations de luminosité qui signalaient une scintillation. En d’autres termes, le FRB scintillait. Ils ont confirmé qu’il y a du gaz quelque part entre le télescope et le FRB qui courbe et filtre les ondes radio.

L’équipe a ensuite déterminé où ce gaz pouvait être localisé, confirmant que le gaz présent dans la galaxie hôte du FRB était responsable d’une partie des scintillations observées. Ce gaz a agi comme une lentille naturelle, permettant aux chercheurs de zoomer sur le site FRB et de déterminer que l’explosion provenait d’une région extrêmement petite, estimée à environ 10 000 kilomètres de large.

« Cela signifie que le FRB se trouve probablement à des centaines de milliers de kilomètres de la source », explique Nimmo. « C’est très proche. À titre de comparaison, nous nous attendrions à ce que le signal soit à plus de dizaines de millions de kilomètres s’il provenait d’une onde de choc, et nous ne verrions aucune scintillation. »

« Zoomer sur une région de 10 000 kilomètres, à une distance de 200 millions d’années-lumière, c’est comme pouvoir mesurer la largeur d’une hélice d’ADN, qui mesure environ 2 nanomètres de large, à la surface de la lune », explique Masui. « Il existe une gamme incroyable d’échelles impliquées. »

Les résultats de l’équipe, combinés à ceux de l’équipe de McGill, excluent la possibilité que FRB 20221022A ait émergé de la périphérie d’un objet compact. Au lieu de cela, les études prouvent pour la première fois que des sursauts radio rapides peuvent provenir de très près d’une étoile à neutrons, dans des environnements magnétiques hautement chaotiques.

« Ces sursauts se produisent toujours et CHIME en détecte plusieurs par jour », explique Masui. « Il peut y avoir une grande diversité dans la manière et le lieu où ils se produisent, et cette technique de scintillation sera très utile pour aider à démêler les différentes physiques qui sont à l’origine de ces sursauts. »

Cette histoire est republiée avec l’aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l’actualité de la recherche, de l’innovation et de l’enseignement du MIT.