Des centaines de sursauts radio rapides détectés dans l’espace lointain

Parce qu’ils sont imprévisibles et ne durent que quelques millisecondes, les sursauts radio rapides (ou FRB pour fast radio burst) sont particulièrement difficiles à observer et à étudier. Le processus physique à l’origine de ces sursauts est d’ailleurs toujours inconnu à ce jour. Néanmoins, grâce au télescope CHIME, situé à l’observatoire fédéral de radioastrophysique, au Canada, les scientifiques pourront sans doute mieux comprendre ce phénomène. Et pour cause : l’engin a permis de détecter 535 nouveaux FRB entre 2018 et 2019.

La découverte des sursauts radio rapides est relativement récente : le premier sursaut n’a été détecté qu’en 2007, dans le Petit nuage de Magellan. D’autres FRB ont été détectés depuis — notamment grâce au radiotélescope de l’observatoire d’Arecibo, aujourd’hui démantelé suite à son effondrement — et des travaux récents suggèrent que ces phénomènes pourraient trouver leur origine dans des magnétars.

Le télescope CHIME (Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment) a été conçu pour cartographier la densité d’hydrogène dans l’Univers, afin d’étudier son expansion. L’instrument est doté d’un grand champ de vision instantané et couvre une large gamme de fréquences (de 400 à 800 MHz), ce qui en fait également un excellent détecteur de sursauts radio rapides : plus de 500 signaux ont ainsi été détectés au cours de sa première année de fonctionnement.

Près de 800 FRB chaque jour dans le ciel

CHIME se compose de quatre antennes, quatre réflecteurs cylindriques d’une centaine de mètres (similaires aux half-pipes utilisés en snowboard). La plupart des observations en radioastronomies sont réalisées en faisant pivoter une grande parabole vers diverses parties du ciel ; pour détecter un FRB, cela implique de regarder au bon endroit, au bon moment. CHIME, au contraire, demeure pointé vers une zone unique de l’espace lointain : il capture l’ensemble des signaux entrants à l’aide d’un corrélateur, générant près de 7 térabits de données par seconde. « Le traitement du signal numérique est ce qui permet à CHIME de reconstruire et de « regarder » dans des milliers de directions simultanément », explique Kiyoshi Masui, professeur adjoint de physique au MIT.

Les 535 nouveaux signaux détectés par CHIME viennent allonger considérablement la liste des FRB connus (environ 140 depuis 2007). « Avec toutes ces sources, nous pouvons vraiment commencer à avoir une idée de ce à quoi ressemblent les FRB dans leur ensemble, de l’astrophysique qui pourrait être à l’origine de ces événements et de la façon dont ils peuvent être utilisés pour étudier l’univers à l’avenir », souligne Kaitlyn Shin, membre de CHIME, étudiante diplômée du département de physique du MIT.

En analysant ces nouveaux signaux, les scientifiques ont par ailleurs remarqué qu’ils se répartissaient nettement en deux classes distinctes : les FRB qui se répètent, et les FRB ponctuels. En particulier, ils ont identifié 61 sursauts répétés, émis par 18 sources. De plus, ces signaux répétitifs se distinguent des autres par leur durée et leurs fréquences radio : ils durent légèrement plus longtemps et émettent des fréquences plus focalisées que les FRB ponctuels. Par conséquent, les spécialistes pensent que ces deux types de sursauts rapides pourraient provenir de mécanismes et de sources distincts.

Mais quel que soit leur type, ils sont uniformément répartis dans le ciel, ce qui suggère que le phénomène est finalement très courant. La collaboration CHIME a même déterminé que ces événements se produisaient à un rythme d’environ 800 par jour dans l’ensemble du ciel. Si les FRB sont difficiles à observer, ils sont donc loin d’être rares.

Un enregistrement de la structure de l’univers

Non seulement le catalogue de FRB établi par les chercheurs contient désormais bien plus d’items, mais il comporte également davantage d’informations sur les emplacements et les propriétés de chacun de ces sursauts rapides. Les scientifiques espèrent maintenant déterminer quels phénomènes naturels émettent ces signaux ; le fait que les sursauts soient suffisamment brillants pour être détectés par CHIME suggère qu’ils sont issus de sources extrêmement énergétiques.

L’hypothèse la plus probable est celle des magnétars — des étoiles à neutrons au champ magnétique extrêmement intense, émettant des ondes électromagnétiques de très haute énergie. « Ils sont la seule chose à notre connaissance qui pourrait vraisemblablement produire de tels éclairs énergétiques en si peu de temps », a déclaré Kiyoshi Masui. L’étude des FRB répétés leur permettra sans doute d’élucider ce mystère : lorsqu’une rafale se répète, il est en effet plus facile de remonter jusqu’à son point d’origine.

Ces sursauts pourraient également permettre de cartographier la distribution de gaz dans l’univers : lorsque ces ondes radio traversent l’espace, elles sont en effet susceptibles de rencontrer du gaz ou du plasma, ce qui se traduit par des distorsions, des modifications de leurs propriétés et/ou de leur trajectoire. En examinant un FRB, il est ainsi possible d’estimer la distance parcourue par ces ondes radio et la quantité de gaz qu’elles ont croisé sur leur chemin. En d’autres termes, un FRB constitue « un enregistrement de la structure de l’univers qu’il a traversé depuis la source jusqu’à nous », résume Masui.

Par conséquent, en découvrant suffisamment de sursauts radio rapides, il sera peut-être possible de cartographier la structure à grande échelle de l’univers. Pour Masui, les FRB constituent ainsi « l’outil ultime pour étudier l’univers ».

Sources : MIT et Nature