Sursauts radio rapides : la fin de l'énigme avec des astéroïdes ?

Une équipe d'astrophysiciensastrophysiciens de l'Observatoire de Paris - PSL vient de publier un article dans la célèbre revue Astronomy & Astrophysics que l'on peut consulter en accès libre. Il renouvelle notre perspective sur la fameuse énigme des sursauts radio rapides (FRB pour Fast Radio Bursts en anglais) qui avait déjà conduit Avi Loeb (et d'autres chercheurs) à spéculer sur une possible origine extraterrestre de ces FRB. Pour lui, il pourrait en effet s'agir de faisceaux d'ondes radio ayant temporairement croisé la Terre et qui étaient destinés à propulser des voiles stellaires géantes emportant des vaisseaux interstellaires, voire intergalactiques, tout comme dans le cas de 'OumuamuaOumuamua.

Cette hypothèse a été fermement critiquée par la communauté scientifique comme Futura l'expliquait avec deux articles des astrophysiciens Sean Raymond et Franck Selsis, montrant qu'une explication naturelle était bien plus probable. Malheureusement aussi dans le cas des FRB, depuis des années et pour de très bonnes raisons, la communauté scientifique penche du côté d'explications parfois exotiquesexotiques (une hypothèse fascinante avait en effet été avancée mais semble aujourd'hui réfutée par la découverte de FRB périodiques, celle des étoiles de Planck finissant leur vie en explosion sous forme de trou blanc) mais ne relevant pas de l'exobiologie.

Mais au fait, que sont exactement les FRB ?

Ils se présentent sous forme de mystérieux flashsflashs d'ondes radio qui ont été repérés pour la première fois en 2007 mais identifiés en réalité plus tard grâce à de nouvelles analyses d'archives de données collectées par le radiotélescope de Parkes, en Australie. Ils sont aussi appelés « sursauts Lorimer », du nom de leur découvreur. Ils sont extrêmement brefs, quelques millièmes de seconde tout au plus et on estime qu'ils proviennent d'évènements violents qui libèrent peut-être pendant ce bref laps de temps et dans le domaine radio, autant d'énergie que le Soleil en un jour.

La brièveté de ces signaux implique (pour des raisons liées à la vitessevitesse de propagation d'un effet physiquephysique faisant varier la luminositéluminosité d'un objet) qu'ils sont émis à partir d'une région dont la taille est de quelques centaines de kilomètres tout au plus. On sait aussi que les parties à hautes fréquencesfréquences et celles à basses fréquences d'une impulsion électromagnétique arrivent avec des décalages d'autant plus importants que l'impulsion a voyagé loin à travers l'UniversUnivers en traversant des régions contenant de la matièrematière. Ce phénomène, dénommé en anglais dispersion measure (DM), est bien connu avec les pulsarspulsars. La conclusion la plus simple et la plus vraisemblable déduite des caractéristiques des sursauts radio en se basant sur tous ces effets était qu'il s'agissait d'objets extragalactiques ne pouvant pas être des étoilesétoiles standards et capables d'émettre en quelques millisecondes autant d'énergie que le Soleil en une journée.

La piste des pulsars, et même des magnétarsmagnétars, leur version possédant un champ magnétiquechamp magnétique encore plus extrême, a été souvent explorée comme le montre d'ailleurs le précédent article de Futura ci-dessous.

Les pulsars, des étoiles mortes laissées par des explosions de supernovae

Rappelons que les pulsars ont été en fait étudiés théoriquement bien avant 1967, date de leur première observation sous forme d'impulsions radio périodiques par Jocelyn Bell. En effet, comme leur nom l'indique, les pulsars (contraction de pulsating stars en anglais, c'est-à-dire « étoiles pulsantes ») émettent des ondes radio à un rythme rapide et régulier, à tel point que l'on a pensé un temps qu'il s'agissait d'émissionsémissions d'une civilisation E.TT.

Mais, comme les travaux du prix Nobel de Physique Riccardo Giacconi l'ont montré en 1971, il s'agit d'étoiles à neutrons, des astresastres dont l'existence avait été prédite en 1933 par Zwicky et Baade et dont une première description théorique détaillée a ensuite été donnée en 1939 par Oppenheimer et Volkkoff. C'est vers la fin des années 1960 que les astrophysiciens Franco Pacini et Thomas Gold, respectivement italien et britannique, découvrent un mécanisme théorique montrant comment ces objets peuvent se comporter comme des sources radio pulsantes.

Pour comprendre la raison de ce phénomène, il faut savoir que toutes les étoiles tournent sur elles-mêmes. Or, de même qu'une patineuse voit sa vitesse de rotationvitesse de rotation accélérer lorsqu'elle rassemble ses bras vers son corps, une étoile en effondrementeffondrement voit sa vitesse de rotation augmenter. C'est une conséquence de la conservation du moment cinétiquemoment cinétique, l'une des lois les plus fondamentales de la physique. Surtout, une étoile possède un champ magnétique et il doit s'amplifier en raison d'une autre loi de conservation, celle du flux magnétique, lorsqu'elle se contracte.

Juste après sa formation par effondrement gravitationnel, le cœur chaud et dense d'une étoile devenue une étoile à neutronsétoile à neutrons doit donc tourner assez rapidement. Un mécanisme s'enclenche, lié au champ magnétique qui va arracher des électronsélectrons à la surface de l'étoile puisque ce champ se comporte comme un champ électriquechamp électrique pour un observateur à cette surface, qui conduit l'astre à rayonner puissamment en émettant un faisceau d'ondes radio collimatées à la façon d'un phare. Lorsque ce faisceau coupe l'orbiteorbite de la Terre, il se manifeste dans un radiotélescope comme une série régulière de « bips ».

Schéma représentant un essaim d’astéroïdes dans le vent du pulsar. Pour plus de clarté, une seule aile d’Alfvèn pour un seul astéroïde est représentée en rouge vif. Lorsque celle-ci pointe momentanément dans la direction de l’observateur, celui-ci voit un FRB. Le cône rouge transparent représente la zone où l’aile d’Alfvèn se déplace à cause de la turbulence du vent. La zone rouge foncée représente l’« ombre » de l’astéroïde par rapport au vent du pulsar. © Observatoire de Paris - PSL

Des astéroïdes fendant des flots de plasma

Fabrice Mottez, Philippe Zarka et Guillaume Voisin proposent aujourd'hui une ingénieuse explication des FRB faisant intervenir des processus classiques relevant de l'électrodynamique cosmique des pulsars, pour reprendre le titre de l'ouvrage du prix Nobel de physique Hannes Alfvén.

Dans un communiqué de l'Observatoire de Paris au sujet de l'article publié exposant cette explication, celui-ci explique que les trois astrophysiciens font tout simplement intervenir l'interaction d'astéroïdesastéroïdes en orbite autour d'un pulsar avec le ventvent de plasma très énergétique soufflé par l'astre compact. Il se produirait alors l'équivalent du phénomène d'étrave dans ce plasma, tout à fait analogue à celui que l'on constate avec des bateaux fendant l'eau sur Terre. On parle dans ce cas d'« aile d'Alfvèn ».

Or ce phénomène d'étrave prend naissance dans un plasma éjecté à très grande vitesse, pratiquement à la vitesse de la lumièrevitesse de la lumière, près de 1.000 fois plus vite que le vent solairevent solaire pour donner l'ordre de grandeurordre de grandeur. Tout comme dans un fluide, le plasma est alors aussi tourbillonnant et instable, ce qui le conduit à générer des bouffées d'ondes électromagnétiquesondes électromagnétiques via des courants de particules chargées. Mais comme les sources de ces ondes se déplacent presque à la vitesse de la lumière, le rayonnement émis est collimaté vers l'avant, tout comme dans le cas des émissions de synchrotrons des électrons relativistes en mouvement dans un champ magnétique (voir par exemple une explication simple à ce sujet dans le cours du prix Nobel de Physique Richard Feynman).

Lorsque l'un des faisceaux collimatés coupe l'orbite de la Terre, un sursaut radio est alors détecté. Ces sursauts peuvent apparaître comme aléatoires mais comme ils sont, d'après l'hypothèse de départ, en relation avec des astéroïdes bouclant des orbites, une certaine périodicité ou récurrence peut se constater, comme dans le cas du sursaut FRB 121102.

Dans son cas, la théorie laisse penser que l'étoile à neutrons est entourée d'une ceinture d'astéroïdesceinture d'astéroïdes de moins de 10 kilomètres de rayon située entre 0,03 et 1 unité astronomiqueunité astronomique. Plus proche, ces astéroïdes seraient rapidement vaporisés par le rayonnement X intense de ce jeune pulsar dont la surface est encore très chaude, avec une température de plusieurs centaines de milliers de degrés. 
 

Un sursaut radio rapide serait une étoile à neutrons proche d'un trou noir supermassif

Article de Laurent SaccoLaurent Sacco publié le 15/01/2018

Les sursauts radio rapides, ou FRB, intriguent depuis leur découverte. L'une des vedettes du genre est FRB 121102, plongé dans un champ magnétique très intense, ce qui trahit peut-être la véritable nature de ces objets. Il pourrait s'agir d'étoiles à neutrons aux abords d'un trou noir supermassiftrou noir supermassif.

Découverts en 2007 dans les archives collectées par le radiotélescope de Parkes, en Australie, les sursauts radio rapides ne cessent depuis d'intriguer. Ils sont extrêmement brefs, quelques millièmes de seconde tout au plus, ce qui indique que leurs sources ne peuvent être de grande taille. La vitesse de la lumière, en effet, impose une limite à la propagation des phénomènes modifiant un astre dans un temps donné. On estime pourtant qu'ils proviennent d'évènements violents qui libèrent, peut-être pendant ce bref laps de temps et dans le domaine radio, autant d'énergie que le Soleil en un jour.

Les astrophysiciens ont du mal à les faire entrer dans le cadre des explications astrophysiquesastrophysiques conventionnelles, tout comme ce fut le cas, naguère, pour les sursauts gamma. C'est pourquoi il était important de les localiser. Se trouvent-ils dans la Voie lactée ou sont-ils des objets proprement cosmologiques associés à des phénomènes extragalactiques ? Peut-on les associer à des astres et à d'autres évènements énergétiques dans d'autres longueurs d'ondelongueurs d'onde, par exemple dans le visible ou dans le domaine des rayons Xrayons X et gamma ? Ces informations sont vitales pour faire le tri entre plusieurs hypothèses qui vont de la technosignature de civilisations E.T. à celle d'explosions d'étoiles de Planck.

Le télescope Gemini North a finalement permis de débusquer dans le visible la contrepartie du sursaut radio rapide FRB 121102. © Gemini Observatory, AURA, NSF, NRC

Une étoile à neutrons plongée dans un champ magnétique colossal ?

Or, justement, l'un de ces sursaut radio rapides, ou FRB (pour Fast Radio Burst), qui, de plus, se répète, a pu être à peu près localisé. Il s'agit de FRB 121102, qui, comme son nom l'indique, a été détecté le 2 novembre 2012, dans la constellation du Cocherconstellation du Cocher (Auriga en latin) avec le radiotélescope d'Areciboradiotélescope d'Arecibo. Il n'est pas dans la Voie lactéeVoie lactée mais plutôt dans une région où la formation d'étoiles est importante, à environ trois milliards d'années-lumièreannées-lumière de notre GalaxieGalaxie. Ce FRB fait depuis l'objet d'une attention toute particulière. Il revient aujourd'hui sur le devant de la scène grâce à une publication dans le journal Nature provenant d'une équipe internationale d'astronomesastronomes, dont Victoria Kaspi et Shriharsh Tendulkar, de l'université McGill, à Montréal, au Canada.

Les chercheurs ont mobilisé les radiotélescopes des observatoires d'Arecibo (à Porto Rico) et de Green Bank (en Virginie-Occidentale aux États-Unis), pour mesurer plus précisément les caractéristiques des signaux émis par FRB 121102. Ils ont découvert qu'ils étaient polarisés, très fortement même, mais surtout que cette polarisation évoluait très rapidement dans le temps.

Cette image d'artiste montre, en bas à droite du trou noir supermassif au centre de la Voie lactée, le pulsar PSR J1745-2900, une étoile à neutrons. Il doit être situé à environ une demi-année-lumière du trou noir central, loin du disque d'accrétion en forme de tore contenant de la poussière et du plasma. Dans ce disque, des phénomènes magnétohydrodynamiques engendrent un puissant champ magnétique dont les lignes de champs sont représentées en bleu. © Bill Saxton, NRAO-AUI-NSF

Rappelons qu'une onde électromagnétique peut être décrite par un vecteur champ électrique, une sorte de flèche de grandeur variable et qui oscille perpendiculairement à la direction de la propagation de l'onde. Mais, a priori, cette flèche peut aussi changer d'orientation dans le plan perpendiculaire à cette direction. L'extrémité de la flèche peut par exemple se déplacer en décrivant un cercle et on parle alors de polarisation circulaire. Si la direction de la flèche reste selon une droite, la polarisation est dite linéaire.

Dans le cas de FRB 121102, c'est ce mode de polarisation qui est apparu... sauf que la direction de cette droite changeait au cours du temps, et même rapidement. Pour un astrophysicien, c'est le signe de ce que l'on appelle l'effet Faradayeffet Faraday, du nom de Michael FaradayMichael Faraday (1791-1867), le physicienphysicien et chimiste britannique, connu pour ses travaux fondamentaux dans les domaines de l'électromagnétismeélectromagnétisme et l'électrochimie. Cela signifie que l'environnement dans lequel le sursaut radio s'est produit est le siège d'un champ magnétique qui fait changer la direction de la polarisation circulaire, tout en conservant sa nature, et en l'occurrence que ce champ est particulièrement intense et très rapidement variable.

Il existe au moins une explication possible à ce phénomène selon les astrophysiciens. FRB 121102 serait produit par une étoile à neutrons plongée dans le champ magnétique et le plasma entourant l'environnement proche d'un trou noir supermassif, ce que est observé, par exemple, autour de celui de notre Voie lactée.Est-ce le début de la fin de l'énigme pour les sursauts radio rapides ? Peut-être... Leur étude va en tout cas se poursuivre car il devrait statistiquement en apparaître des milliers chaque jour sur la voûte céleste. En 2018, entrera en particulier en service le télescopetélescope Chime, à Penticton, en Colombie-Britannique. Il est particulièrement bien adapté à l'étude des FRB.