Au cours des 15 dernières années, les astronomes ont tenté collectivement d’élucider le mystère des sursauts radio rapides (ou FRB pour Fast Radio Burst), des flashs d’énergie radio incroyablement intenses et brefs, en provenance de zones apparemment aléatoires dans le ciel. Ils sont tellement rapide, de juste quelques millisecondes, qu’il a été très difficile de déterminer quelles en était la cause, leur provenance et le nombre de fois qu’ils se produisent.

Mais cette semaine, après toutes ces années, des astronomes ont finalement réussi à pointer du doigt le(s) coupable et de retrouver la masse visible manquante de notre Univers dans le processus… Un nouveau document de recherche publié cette semaine (lien plus bas) décrit un sursaut radio rapide détecté l’an dernier et son analyse a révélé sa plus importante caractéristique : sa distance… et il arrive de très, très loin.

Le sursaut est appelé FRB 150418, ainsi nommée parce qu’il a été détecté le 18 avril 2015. Il a d’abord été repéré par le radiotélescope de l’observatoire de Parkes, en Australie, alors qu’il il sondait le ciel, réalisant un relevé à la recherche de sources astronomiques d’ondes radio.

Les observations du radiotélescope de l’observatoire de Parkes sur de grandes sections du ciel sur la droite et les encarts, sur la gauche, zoom sur la galaxie elliptique à l’origine du FRB. Le signal caractéristique d’un FRB est représenté dans le petit encart en bas (un “graphique en chute d’eau”). (David Kaplan / Evan Keane)

Lorsque le sursaut a été détecté, une alerte fut envoyée vers d’autres radiotélescopes disposant d’une résolution plus élevée (et donc en mesure de mieux positionner l’explosion dans le ciel). Ainsi, dans les heures qui ont suivi l’évènement, l’Australia Telescope Compact Array du CSIRO (dans l’image ci-dessous) analysait aussi le sursaut, repérant son emplacement.

Le lendemain, les astronomes ont utilisé un autre appareil, le télescope Subaru (Hawaî) pour observer cet emplacement dans la lumière visible et ils ont trouvé une galaxie elliptique à la position du sursaut. Ils ont analysé les spectres, déterminé le décalage vers le rouge et ils ont constaté que la galaxie est distante de 6 milliards d’années-lumière, littéralement à l’autre bout de l’univers visible ! Un mystère fut de suite résolu : les FRB ne sont pas locaux. Même pas proche.

Les observations de suivi ont également constaté une rémanence, la lumière s’estompe alors que le “flash” s’éloigne. Il a fallu six jours avant qu’elle ne devienne trop faible pour être encore détectable.

La galaxie, d’où provient le sursaut, est elliptique ce qui, en général, indique qu’elle est plutôt vieille, aucune étoile ne s’y est formée depuis très, très longtemps. Cela signifie que ce qui a causé le sursaut n’était probablement pas une étoile massive qui a explosé en supernova, ce genre d’étoiles ne vivent pas très longtemps et les galaxies elliptiques ne les produisent habituellement pas. En outre, les supernovae ont tendance à briller pendant des semaines ou des mois, beaucoup plus longtemps que la rémanence, d’une semaine, de la FRB.

L’explication la plus plausible est encore plus spéciale : la coalescence d’une paire (binaire) d’étoiles à neutrons. Une étoile à neutrons résulte de l’explosion d’une étoile massive. Ses couches externes sont projetées vers l’extérieur, mais le noyau s’effondre en une boule ultra-dense de quelques kilomètres de diamètre. Si deux de ces étoiles s’orbitent l’une autour de l’autre,  elles finissent par devenir une binaire d’étoile à neutrons. Pendant des milliards d’années, elles se tournent autour, finissent par fusionner et elles forment un trou noir. La fusion est incroyablement violente et projette d’énormes quantités d’énergie dans de très courtes rafales, de l’ordre des millisecondes.

GIF présentant une séquence d’une simulation de la fusion de deux étoiles à neutrons et le sursaut de rayons gamma en résultant, (NASA)

Cela correspond aux particularités des FRB. Et si cela vous rappelle quelque chose, c’est peut-être parce que tout cela ressemble à ce que l’on appelle les sursauts gamma. Ce sont aussi de mystérieuses bouffées d’énergie qui ont été extrêmement difficile à identifier, jusqu’à ce que la technologie fut suffisamment avancée pour permettre de les suivre. il a été déterminé qu’ils présentaient aussi des rémanences et ceux étudiés se sont révélé être très lointains. Il existe deux types de sursauts gamma : de longue durée, qui durent des minutes, et de courtes durées, de quelques millisecondes … et ils sont aussi estimés provenir de la fusion d’étoiles à neutrons !

Donc, il semble que certains sursauts radio rapides (FRB) et certains sursauts gamma ont quelque chose en commun. Ils pourraient même être originaires du même genre d’évènement, mais “exprimés” différemment.

Mais il y a plus : comme les ondes radio voyagent à travers l’Univers, les minces nuages de gaz éthéré distribué à travers l’espace les changent. Les ondes radio se dispersent, avec des ondes obtenant une énergie plus élevée (plus haute fréquence) et arrivant un peu plus tôt que celles dont l’énergie est faible, ce à quoi on pourrait comparer le phénomène à la lumière visible qui traverse un prisme et qui est dispersée, créant un spectre de couleurs, mais les ondes radio sont dispersés dans le temps, pas dans l’espace. Vous en avez une représentation dans l’image d’entête qui présente un sursaut radio rapide atteignant la Terre. Les couleurs représentent la salve arrivant dans différentes longueurs d’onde radio, avec de longues longueurs d’onde (en rouge) arrivant quelques secondes après les courtes (bleu). (image de Jingchuan Yu du Planétarium de Pekin).

Le taux de dispersion observé dépend de la quantité de choses que les ondes radio traversent. Mais cela ne vous donne pas une distance, la source pourrait être à proximité et traverser un nuage de gaz très épais ou beaucoup plus éloigné et passer à travers un matériau beaucoup moins dense.

Pour FRB 150418, la distance a été mesurée de façon indépendante. La densité moyenne de matière entre nous et la source a pu être estimée via la quantité totale de matière déterminée par la dispersion et la distance connue. Ce qui peut ensuite être comparé au modèle actuel de l’Univers qui prédit la quantité de matière qu’il devrait contenir… et les données correspondaient !  Et c’est la que vient la découverte de la matière manquante de l’univers.

Cette correspondance des données est très importante, car l’Univers peut être divisé en trois composantes : l’énergie sombre (environ 70 % de la masse / énergie du cosmos), la matière noire (25 %), et la matière normale (5 %).

La chose est qu’on ne voit que la moitié de la matière normale dans l’Univers; nous ne pouvons pas observer ce qui devrait être du gaz très chaud distribué entre les galaxies. Les observations de la FRB semblent montrer que la substance manquante n’est pas absente. Les ondes radio qui l’ont traversé en ont été modifiées et ce changement est mesurable.

Donc, au moins indirectement, la masse manquante a été trouvée.

Et ce n’est pas encore fini. On sait maintenant que les sursauts gamma sont une des résultantes de nombreux et différent évènement cosmique cataclysmique. L’histoire de cette FRB pourrait être similaire,  bon nombre de processus physiques peuvent engendrer une courte et puissante impulsion d’ondes radio. Nous pouvons encore trouver de nombreuses sources différentes de ce phénomène.

La présentation de la découverte dans cette vidéo du CSIRO :

Et avec la récente détection des ondes gravitationnelles par le LIGO, tous ces phénomènes cosmiques (fusion de trou noir, d’étoile, de galaxies, supernova… ) seront observés de multiple manière, sous différentes “lumières et échos” comme jamais ils ne l’auront jamais été… ça promet pléthore de révélations cosmiques !

L’étude publiée dans Nature : The host galaxy of a fast radio burst et annoncée sur le site du CSIRO : Solved ! First ditance to a ‘fast radio burst’.