Des astronomes se sont encore rapprochés de l’origine de mystérieux et puissants sursauts d’énergie diffusés dans l’espace

Les sursauts radio rapides (FRB pour fast radio burst) sont l’un des plus déconcertants mystères de notre Univers, mais les astronomes ont peut-être tout juste découvert l’incroyable environnement à partir duquel l’un des plus célèbres et des plus étudiés provient.

Les signaux radio répétitifs (représentant d’intense flash d’énergie) de FRB 121102, sont probablement produits dans un environnement assez extrême, comme la zone autour d’un trou noir massif.

Le FRB 121102 est apparu pour la première fois en novembre 2012, mais il a fallu quelques années aux chercheurs pour définir sa nature insolite. La plupart des sursauts radio rapides ne se produisent qu’une seule fois, ce qui les rend introuvables, mais le FRB 121102 se répète ce qui a offert l’opportunité unique de le localiser.

Les sursauts radio rapides sont des signaux radio extrêmement puissants, générant autant d’énergie que 500 millions de soleils, mais ils sont aussi extrêmement courts, ne durant que quelques millisecondes. Comme la plupart d’entre ne se produisent qu’une fois et ne reviennent jamais, ils sont impossibles à prévoir et impossibles à retracer. C’est l’une des principales raisons pour lesquelles nous ne savons pas ce qui les provoque.

Mais le FRB 121102 s’est révélé exceptionnel. En mars 2016, les chercheurs ont annoncé qu’ils avaient trouvé 10 autres sursauts à partir du même endroit dans les données d’archives. Puis en décembre 2016, 6 sursauts ont été détectés à partir de FRB 121102, puis 15 de plus en août 2017. Cela a permis aux chercheurs de localiser la source de ces signaux, une région de formation d’étoiles dans une galaxie naine à plus de 3 milliards d’années-lumière de la Terre.

Une précédente « sonification » des données et visualisations des spectres dynamiques de 9 sursauts radio répétées de FRB 121102. (Chatterjee et col)

Et récemment, une équipe internationale de chercheurs a précisé le lieu, en étudiant les données des radiotélescopes qui ont capté le signal et ils sont plus convaincus que jamais que la source est une étoile à neutrons. Si c’est le cas, c’est dans un environnement soit très proche d’un trou noir ou dans une nébuleuse très puissante. C’est à cause de la façon dont le signal radio est « tordu ».

Représentation d’une étoile à neutrons, extrêmement dense, émettant des faisceaux d’ondes radio comme un pulsar, étroitement associé à une naine blanche compacte. Le fond de la grille illustre les déformations de l’espace-temps provoquées par l’effet gravitationnel des deux objets. (John Antoniadis, Institut Max Planck de Radioastronomie )

Les signaux radio de FRB 121102 sont presque complètement polarisés. Lorsque ces signaux polarisés traversent un champ magnétique, ils se tordent/ se vrillent et plus le champ est fort, plus la torsion est importante. C’est ce qu’on appelle l’effet/ rotation de Faraday, qui permet aux chercheurs d’en savoir plus sur l’origine des ondes.

Image d’entête : Le télescope Arecibo de 305 mètres, à Puerto Rico, et sa plate-forme suspendue de récepteurs radio au milieu d’une nuit étoilée. Un flash de la source du FRB 121102 est représenté, originaire d’au-delà de la Voie lactée, du plus profond de l’espace extragalactique. Cette salve radio est fortement polarisée, et le signal polarisé est tordu en fonction de la fréquence radio, car il y a une région extrême de plasma magnétisé entre nous et la source des sursauts. (Danielle Futselaar/ Brian P. Irwin / Dennis van de Water / ASTRON)

Dans le cas de FRB 121102, la torsion de la polarisation des signaux sont parmi les plus importantes jamais observées, ce qui signifie qu’ils doivent traverser un champ magnétique très intense.

Selon Daniele Michilli de l’université d’Amsterdam et d’ASTRON, l’Institut néerlandais de radioastronomie :

Les seules sources connues dans notre galaxie qui soient aussi tordue que FRB 121102 sont dans le Centre Galactique, qui est une région dynamique près d’un trou noir massif, peut-être que FRB 121102 est dans un environnement similaire dans sa galaxie hôte.

Cependant, la torsion des sursauts radio pourrait aussi être expliquée si la source se trouve dans une puissante nébuleuse ou un reste de supernova.

C’est ainsi cohérent avec l’hypothèse de l’étoile à neutrons, une étoile massive dont le noyau s’effondre se transformant ainsi en une supernova (ou en trou noir si elle dépasse une certaine masse). Elles sont très petites et très denses et elles émettent des impulsions radio lorsqu’elles tournent. Un type d’étoile à neutrons appelé magnétar possède un champ magnétique extrêmement fort et ils peuvent produire des sursauts semblables à la façon dont le Soleil produit des éruptions solaires. Cela a été proposé comme étant une source possible de sursauts radio rapides. Cependant, le plus puissant jamais observé était de 4 ordres de grandeur en dessous de FRB 121102.

Représentation artistique d’un magnétar. (ESO/ L. Calçada)

Les chercheurs estiment donc que la source est une étoile à neutrons et ils espèrent en savoir plus, selon Jason Hessels de l’université d’Amsterdam et d’ASTRON :

Nous continuons à surveiller comment les propriétés des sursauts changent avec le temps.

Avec ces observations, nous espérons faire la distinction entre les deux hypothèses concurrentes d’une étoile à neutrons, soit près d’un trou noir, soit dans une puissante nébuleuse.

Pendant ce temps, nous n’avons toujours pas d’indices supplémentaire concernant les dizaines d’autres sursauts radio rapides qui ont été observées. Et, comme ils ne se répètent pas, contrairement à FRB 121102 qui est le seul a se répété, il est fort probable que ce dernier soit unique dans sa source et que les autres émanent de phénomènes bien différents.

Les chercheurs ont présenté leur découverte lors de la 231st réunion de l’American Astronomical Society,  l’étude est publiée dans Nature : An extreme magneto-ionic environment associated with the fast radio burst source FRB 121102 et présentée sur le site de l’ASTRON : Astronomers peer into the lair of a mysterious cosmic radio burste.