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Les astronomes détectent le rythme régulier des ondes radio, avec des origines inconnues

Une équipe d’astronomes, dont des chercheurs du MIT, a capté un curieux rythme répétitif de sursauts radio rapides émanant d’une source inconnue en dehors de notre galaxie, à 500 millions d’années-lumière.

Les sursauts radio rapides, ou FRB, sont de courts éclairs intenses d’ondes radio que l’on pense être le produit de petits objets lointains et extrêmement denses, bien que ce que ces objets pourraient être soit un mystère de longue date en astrophysique. Les FRB durent généralement quelques millisecondes, période pendant laquelle elles peuvent éclipser des galaxies entières.

Depuis que le premier FRB a été observé en 2007, les astronomes ont catalogué plus de 100 sursauts radio rapides provenant de sources lointaines dispersées dans l’univers, en dehors de notre propre galaxie. Pour la plupart, ces détections étaient ponctuelles, clignotant brièvement avant de disparaître entièrement. Dans une poignée de cas, les astronomes ont observé des sursauts radio rapides plusieurs fois à partir de la même source, mais sans motif perceptible.

Cette nouvelle source FRB, que l’équipe a cataloguée comme FRB 180916.J0158+ 65, est le premier à produire un modèle périodique ou cyclique de sursauts radio rapides. Le motif commence par une fenêtre bruyante de quatre jours, au cours de laquelle la source émet des salves aléatoires d’ondes radio, suivie d’une période de silence radio de 12 jours.

Les astronomes ont observé que ce modèle de sursauts radio rapides de 16 jours se répétait régulièrement sur 500 jours d’observations.

« Ce FRB que nous rapportons maintenant est comme sur des roulettes », explique Kiyoshi Masui, professeur adjoint de physique à l’Institut Kavli d’astrophysique et de recherche spatiale du MIT. « C’est le modèle le plus définitif que nous ayons vu d’une de ces sources. Et c’est un gros indice que nous pouvons utiliser pour commencer à traquer la physique de ce qui cause ces éclairs lumineux, que personne ne comprend vraiment. »

Masui est membre de la collaboration CHIME/FRB, un groupe de plus de 50 scientifiques dirigé par l’Université de la Colombie-Britannique, l’Université McGill, l’Université de Toronto et le Conseil national de recherches du Canada, qui exploite et analyse les données de l’Expérience canadienne de cartographie de l’intensité de l’hydrogène, ou CHIME, un radiotélescope en Colombie-Britannique qui a été le premier à capter les signaux de la nouvelle source périodique de FRB.

La collaboration CHIME/FRB a publié aujourd’hui les détails de la nouvelle observation dans la revue Nature.

Une vue radio

En 2017, CHIME a été érigé à l’Observatoire fédéral de radio-astrophysique en Colombie-Britannique, où il a rapidement commencé à détecter des sursauts radio rapides de galaxies à travers l’univers, à des milliards d’années-lumière de la Terre.

Le CARILLON se compose de quatre grandes antennes, chacune de la taille et de la forme d’un half-pipe de snowboard, et est conçue sans pièces mobiles. Plutôt que de pivoter pour se concentrer sur différentes parties du ciel, CHIME regarde fixement tout le ciel, en utilisant le traitement numérique du signal pour localiser la région de l’espace où les ondes radio entrantes proviennent.

De septembre 2018 à février 2020, CHIME a sélectionné 38 sursauts radio rapides à partir d’une seule source, FRB 180916.J0158 + 65, que les astronomes ont tracé à une région de formation d’étoiles à la périphérie d’une galaxie spirale massive, à 500 millions d’années-lumière de la Terre. La source est la source de FRB la plus active que CHIME ait encore détectée, et jusqu’à récemment, c’était la source de FRB la plus proche de la Terre.

Au fur et à mesure que les chercheurs ont tracé chacune des 38 rafales au fil du temps, un schéma a commencé à émerger: une ou deux rafales se produiraient sur quatre jours, suivies d’une période de 12 jours sans rafales, après quoi le schéma se répéterait. Ce cycle de 16 jours s’est produit encore et encore au cours des 500 jours où ils ont observé la source.

« Ces sursauts périodiques sont quelque chose que nous n’avons jamais vu auparavant, et c’est un phénomène nouveau en astrophysique », explique Masui.

Scénarios d’encerclement

Le phénomène qui se cache derrière ce nouveau rythme extragalactique est une grande inconnue, bien que l’équipe explore certaines idées dans son nouvel article. Une possibilité est que les sursauts périodiques proviennent d’un seul objet compact, tel qu’une étoile à neutrons, qui tourne et vacille — un phénomène astrophysique connu sous le nom de précession. En supposant que les ondes radio émanent d’un emplacement fixe sur l’objet, si l’objet tourne le long d’un axe et que cet axe n’est pointé que vers la direction de la Terre tous les quatre jours sur 16, alors nous observerions les ondes radio comme des rafales périodiques.

Une autre possibilité implique un système binaire, tel qu’une étoile à neutrons en orbite autour d’une autre étoile à neutrons ou d’un trou noir. Si la première étoile à neutrons émet des ondes radio et se trouve sur une orbite excentrique qui la rapproche brièvement du deuxième objet, les marées entre les deux objets pourraient être suffisamment fortes pour que la première étoile à neutrons se déforme et éclate brièvement avant qu’elle ne s’éloigne. Ce schéma se répéterait lorsque l’étoile à neutrons se retournerait le long de son orbite.

Les chercheurs ont envisagé un troisième scénario, impliquant une source émettrice de radio qui fait le tour d’une étoile centrale. Si l’étoile émet un vent ou un nuage de gaz, chaque fois que la source traverse le nuage, le gaz du nuage peut périodiquement amplifier les émissions radio de la source.

« Peut-être que la source émet toujours ces rafales, mais nous ne les voyons que lorsqu’elle traverse ces nuages, car les nuages agissent comme une lentille », dit Masui.

La possibilité la plus excitante est peut—être l’idée que ce nouveau FRB, et même ceux qui ne sont pas périodiques ou même répétitifs, peuvent provenir de magnétars – un type d’étoile à neutrons qui aurait un champ magnétique extrêmement puissant. Les caractéristiques des magnétars sont encore un peu mystérieuses, mais les astronomes ont observé qu’ils émettent occasionnellement des quantités massives de rayonnement à travers le spectre électromagnétique, y compris de l’énergie dans la bande radio.

« Les gens ont travaillé sur la façon de faire en sorte que ces magnétars émettent des sursauts radio rapides, et cette périodicité que nous avons observée a depuis été étudiée dans ces modèles pour comprendre comment tout cela s’intègre », explique Masui.

Très récemment, le même groupe a fait une nouvelle observation qui soutient l’idée que les magnétars peuvent en fait être une source viable de sursauts radio rapides. Fin avril, CHIME a capté un signal qui ressemblait à une rafale radio rapide, provenant d’un magnétar évasé, à quelque 30 000 années-lumière de la Terre. Si le signal est confirmé, ce serait le premier FRB détecté dans notre propre galaxie, ainsi que la preuve la plus convaincante des magnétars comme source de ces mystérieuses étincelles cosmiques.

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