Les mystérieux sursauts radio rapides révèlent où se cache la matière manquante

Depuis de nombreuses années, les astronomesastronomes sont préoccupés par un mystère : une partie de la matière qui forme notre Univers échappe à leur observation. De la matière tout ce qu'il y a de plus ordinaire. Constituée de très classiques baryons. Sans lien avec la fameuse matière noirematière noire.

Les observations du fond diffus cosmologique ont en effet montré que 5 % de la masse de l'Univers devrait être composée de baryons. Or les astronomes, jusqu'ici, n'ont pu en observer que la moitié sous forme d'étoiles, de planètes, de poussières et de gazgaz ou même de trous noirstrous noirs. Jusqu'ici, car un autre mystère vient juste d'aider des chercheurs de l’université de Californie à Santa Cruz (États-Unis) à trouver cette matière manquante. Grâce aux sursauts radio rapidessursauts radio rapides, ils ont enfin pu sonder l'espace intergalactique et y débusquer la matière manquante prévue par les modèles.

Rappelons que les sursauts radio rapides -- ou FRB pour Fast Radio Burst, en anglais -- sont des flashsflashs qui émettent, en quelques millièmes de seconde une quantité colossale d'énergieénergie. Des centaines d'entre eux ont déjà pu être identifiés et ceux qui ont pu être localisés l'ont été dans des galaxiesgalaxies lointaines.

Lorsqu’elles voyagent à travers un espace intergalactique vide, les ondes émises par un sursaut radio rapide voyagent toutes à la même vitesse. À travers un espace intergalactique plus rempli, certaines longueurs d’onde sont ralenties. © International Centre for Radio Astronomy Research

Sursaut radio rapide comme détecteurs de matière manquante

Les astronomes ignorent toujours ce qui est à l'origine de ces émissionsémissions. Peut-être des magnétarsmagnétars, pour certains d'entre eux. Mais qu'importe dans le cas qui nous occupe ici. Les chercheurs se sont servis de ces sursauts radio rapides comme d'autant de détecteurs de baryons. Un peu comme la lumièrelumière est décomposée lorsqu'elle passe à travers un prisme, les hautes et les basses fréquencesfréquences générées par ces FRB nous parviennent de manière décalée lorsqu'elles traversent de la matière. Comme si le spectrespectre était étiré. Ainsi lorsqu'un sursaut nous arrive après avoir traversé beaucoup de matière, ses hautes fréquences sont détectées bien avant - comprenez, des fractions de millisecondes -- ses basses fréquences.

Pour six FRB, les chercheurs ont donc comparé les temps d'arrivée des ondes aux différentes fréquences pour comptabiliser le nombre de baryons croisés en chemin. En utilisant la distance entre les galaxies hôtes de ces sursauts radio rapides et la Voie lactéeVoie lactée, ils ont pu calculer la densité du milieu intergalactique. Celle-ci s'établit à environ un baryon par mètre cube. Soit un million de fois moins qu'un sein d'une galaxie. Mais assez tout de même -- compte tenu de l'étendue de ce milieu intergalactique -- pour constituer toute la matière manquante de l'Univers.

En étudiant d’autres sursauts radio rapides, les astronomes espèrent désormais construire une carte de la répartition de la matière dans l’Univers. Une carte qui pourrait aider à mieux comprendre comment notre Univers a évolué. © International Centre for Radio Astronomy Research

Notons que l'étude ne porteporte que sur quelques FRB et qu'il faudra la compléter avec des données venant d'autres sursauts radio rapides. Mais les astronomes sont confiants. D'autant plus que l'instrument qu'ils ont utilisé, l'Australian Square Kilometre Array Pathfinder (ASKAP) leur permet de capter assez facilement des sursauts radio rapides grâce à son grand champ et de les localiser de manière très précise.

Un mystérieux flash radio éclaire l'énigme des protons perdus

Étoiles de PlanckÉtoiles de Planck ? Collisions d'astresastres compacts ? Nul ne sait vraiment ce que sont les sursauts radio rapides, ces flashes mystérieux durant lesquels est libérée, en quelques millièmes de seconde, autant d'énergie que le SoleilSoleil en émet en une journée. Mais l'un des derniers détectés a enfin pu être localisé dans une galaxie, à 6 milliards d'années-lumièreannées-lumière. En bonus, il donne des informations sur les protonsprotons manquants de l'univers.

Article de Laurent SaccoLaurent Sacco paru le 25/02/2016

Le radiotélescope de Parkes a pu observer un sursaut radio rapide. Il se manifeste par un brusque pic du signal reçu par un radiotélescope. Il ne dure que quelques millisecondes, comme tous les sursauts radio rapides connus à ce jour. © Swinburne University of Technology

Les sursauts radio rapides (FRB pour Fast Radio Bursts en anglais) ont été repérés pour la première fois en 2007 grâce à de nouvelles analyses d'archives de données collectées par le radiotélescoperadiotélescope de Parkes en Australie. On les appelle aussi des « sursauts Lorimer », du nom de leur découvreur. Ils sont extrêmement brefs, quelques millièmes de seconde tout au plus. Mais on estime qu'ils proviennent d'événements violents qui libèrent pendant ce bref laps de temps et dans le domaine radio autant d'énergie que le Soleil en un jour.

On a du mal à les faire entrer dans le cadre des explications astrophysiquesastrophysiques conventionnelles tout comme ce fut le cas naguère pour les fameux sursauts gamma. Guère plus d'une dizaine ont été détectés, ce qui suffit tout de même pour estimer qu'il devrait s'en produire environ 10.000 par jour sur l'entièreté de la voûte céleste. Une chose semblait claire cependant : l'origine de ces FRB est extérieure à la Voie lactée. Si la source se trouvait notre galaxie, en effet, on aurait déjà dû découvrir des contreparties spectaculaires dans d'autres bandes du rayonnement électromagnétique, notamment en optique, en rayons Xrayons X et gamma. Plusieurs hypothèses ont été avancées pour les expliquer, comme des supernovaesupernovae, des magnétars ou, plus fascinant encore, des étoiles de Planck en phase finale d'évaporation, c'est-à-dire en fait des trous noirs en fin de vie qui se comportent en quelque sorte comme des trous blancs.

Un FRB dans une galaxie à 6 milliards d'années-lumière

Les astrophysiciensastrophysiciens n'ont pas tardé à mettre en place un programme d'observation pour tenter d'en savoir plus, à savoir le Superb (Survey for PulsarsPulsars and Extragalactic Radio Bursts). Il s'agissait de pouvoir mobiliser rapidement des radiotélescopes et des télescopestélescopes optiques pour pouvoir observer dans plusieurs longueurs d'ondelongueurs d'onde un FRB tout juste détecté. L'un des objectifs était aussi de pouvoir donner une localisation précise de l'événement, par exemple une galaxie.

Bingo ! Le 5 avril 2015, le radiotélescope de Parkes en Australie, une parabole de 64 mètres de diamètre située dans la Nouvelle-Galles du Sud, faisait la découverte du 17^e FRB connu : FRB150418. Quelques heures plus tard, ce nouveau FRB occupait toute l'attention notamment de l'ATCA (Australia Telescope Compact Array) et du radiotélescope d'Effelsberg en Allemagne. Est rapidement entré dans la danse le télescope japonais Subaru, situé à Hawaï.

L'ATCA a permis de localiser un FRB avec une résolutionrésolution mille fois meilleure qu'auparavant. De sorte que quand Subaru a tourné son regard dans le visible en direction de FRB150418, les astronomes ont pu voir qu'il s'était produit dans une galaxie elliptiquegalaxie elliptique. La mesure du décalage spectral de cette galaxie a indiqué une distance d'environ 6 milliards d'années-lumière par rapport à la Voie lactée.

FRB150418 a continué de briller en s'éteignant doucement dans le domaine radio pendant six jours après son flash bref. Comme l'explique une publication dans le journal Nature, ce suivi a permis aux astrophysiciens de confirmer indirectement, une nouvelle fois, qu'ils avaient probablement bien résolu depuis quelque temps l'énigme des protons manquants de l'univers observable.

Cette image montre le champ d'observation du radiotélescope de Parkes à gauche. Viennent ensuite à droite une série de zooms montrant la localisation du FRB observée dans le visible par le télescope Subaru et finalement la localisation sous forme d'ellipse du rayonnement radio ayant succédé pendant 6 jours au FRB observé par l'ATCA. © D. Kaplan (UWM), E. F. Keane (SKAO).

Les protons manquants affectent les ondes radio des FRB

Rappelons que la quantité de protons et de neutronsneutrons que contient l'univers peut être estimée depuis des dizaines d'années à partir de la mesure de l'abondance des noyaux de deutérium dans le cosmoscosmos. Via les équationséquations de la nucléosynthèse primordiale, cette mesure et ces équations nous indiquent qu'il existe deux fois plus de protons et de neutrons dans l'univers que ceux détectés sous forme d'étoiles et de nuagesnuages de gaz dans les galaxies, et même dans les amas de galaxiesamas de galaxies.

Les astrophysiciens et cosmologistes ont rapidement proposé une solution à cette énigme, qui ne doit pas être confondue avec celle de la matière noire car il s'agit ici matière baryonique normale. Grâce aux observations effectuées notamment avec le satellite Plancksatellite Planck, il s'est avéré que cette matière manquante se trouverait bien dans le milieu intergalactique, plus précisément dans le « Whim » (Warm-Hot Intergalactic Medium). Elle aurait été attirée par la force de gravitationforce de gravitation des filaments de matière noire connectant les amas de galaxies qui, eux-mêmes, se regroupent sous forme des structures filamenteuses découvertes depuis quelques dizaines d'années.

Or, les ondes radio d'un FRB passant à travers le Whim sont affectées d'une façon que l'on peut prévoir et qui dépend de sa composition et de sa densité. En localisant précisément FRB150418 et surtout sa distance, il est devenu possible de contraindre la densité du Whim et les mesures obtenues sont en bon accord avec le modèle cosmologique standardmodèle cosmologique standard.

Reste que l'on ne sait toujours pas ce que sont les FRB. L'astronomie gravitationnelle, qui commence sous nos yeuxyeux avec eLigo et bientôt eVirgo, pourra peut-être nous en dire plus sur ces phénomènes astrophysiques singuliers.