Les sursauts radio rapides sont-ils des sources d'ondes gravitationnelles ?

On sait que nous sommes entrés dans l'ère de l'astronomie gravitationnelle en 2015, presque 100 après la mise en forme complète par Albert Einstein de sa théorie relativiste de la gravitation, la fameuse théorie de la relativité générale. Elle décrit l'espace-temps comme un milieu élastique et donc déformable, susceptible de vibrer et d'osciller comme la surface de l'eau et même de se transformer en l'équivalent de l’écume dans le régime dominé par des effets quantiques.

Les ondes gravitationnelles peuvent être émises par toutes les distributions de matière qui sont décrites par ce que les physiciensphysiciens appellent, dans leur jargon, des quadripôles, ce qui n'est pas le cas de toutes les sources. Ainsi, une étoile qui exploserait de façon parfaitement sphérique ne produirait pas d'ondes gravitationnelles. Par contre, c'est bien le cas d'un couple d'astres en orbite l'un autour de l'autre, comme la Terre et la LuneLune. L'émissionémission n'est toutefois forte qu'avec des astres compacts, comme des trous noirstrous noirs et des étoiles à neutronsétoiles à neutrons, et en particulier lorsqu'ils sont sur le point d'entrer en collision et qu'ils fusionnent.

Tout comme la lumièrelumière des étoiles nous donne de précieux renseignements sur les phénomènes et les objets en astrophysiqueastrophysique, la «  lumière gravitationnellelumière gravitationnelle », si l'on peut dire, est riche en informations, d'autant plus si on peut combiner ces deux types de messages et c'est d'ailleurs de cette façon que l'on a démontré que certains sursautssursauts gamma étaient bel et bien, comme on le pensait, des collisions d'étoiles à neutrons produisant ce que l'on appelle des kilonovae.

Des kilonovae aux FRB

Encouragés par ces résultats, les membres des collaborations LigoLigo et VirgoVirgo, les désormais célèbres détecteurs d'ondes gravitationnelles, ont entrepris de tenter de faire la lumière sur la nature des encore énigmatiques sursauts radio rapidessursauts radio rapides (Fast Radio Bursts, ou FRB, en anglais) en tentant de détecter des ondes gravitationnelles qui pourraient leur être associées, comme ils l'expliquent dans un article en accès libre sur arXiv.

Encore appelés « sursauts Lorimer », du nom de leur découvreur, les FRB sont des signaux transitoires où l'équivalent de toute l'énergieénergie rayonnée par le SoleilSoleil dans le visible pendant une année semble libéré en quelques millisecondes tout au plus dans le domaine radio. On pensait au début justement qu'ils pouvaient être associés à des explosions de supernovaesupernovae et des collisions d'astres compacts, par exemple une étoile à neutrons avec un trou noir, mais la découverte de FRB se répétant pour une même source sur la voûte céleste (ce n'est toutefois pas le cas de tous les FRB) a démontré que ce ne pouvait pas être le cas. On sait tout de même aujourd'hui qu'ils sont situés à des milliards d'années-lumièreannées-lumière de la Voie lactéeVoie lactée et on a des indications qu'ils pourraient être liés à des magnétarsmagnétars, ces étoiles à neutrons avec des champs magnétiqueschamps magnétiques particulièrement intenses.

Depuis 2018, avec l'inauguration d'un nouveau radiotélescoperadiotélescope d'envergure à l'Observatoire fédéral de radioastrophysique, en Colombie-Britannique, au Canada, les astrophysiciensastrophysiciens ont disposé d'un outil particulièrement adapté à la détection des FRB et il a rapidement permis d'en détecter des centaines. Appelé « Expérience canadienne de cartographie de l'intensité de l'hydrogènehydrogène », ou, en anglais, Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment, il s'agit en abrégé de Chime.

De nos jours, on sait plutôt bien localiser sur la voûte céleste les FRB et en étudiant l'effet sur leurs spectresspectres radio des interactions du signal émis avec les électronsélectrons libres dans le cosmoscosmos observable, on peut en tirer une distance à la Voie lactée. Plus le temps de trajet a été long, plus on observe un décalage entre le temps d'arrivée des impulsions radio dans les parties hautes et basses du spectre de ces impulsions.

La combinaison des détecteurs Ligo et Virgo permet également de localiser une source d'ondes gravitationnelles sur la voûte céleste et donc de faire de l'astronomie multimessager comme on dit, en l'occurrence de voir si un signal électromagnétique est associé à un signal gravitationnel avec deux sources qui coïncident sur la voûte céleste.

Ainsi, environ 350 FRB avaient fourni des données susceptibles d'être mises en relation avec Ligo et Virgo. Les chercheurs ont donc compulsé les données enregistrées par ces deux instruments pendant une campagne de détection s'étant déroulée entre avril et septembre 2019.

Deux méthodes de détection différentes ont été mises en œuvre, comme l'explique un communiqué des collaborations Ligo et Virgo. La première se concentre sur une détection de coïncidence uniquement entre deux sources et la seconde se base sur le fait que l'on connaît a priori la forme générale du spectre des ondes émises par des collisions d'astres compacts. La première méthode est donc indépendante de certaines hypothèses sur la nature des FRB et la seconde non, et elle ne s'appliquait qu'aux FRB qui ne se répètent pas.

Trente-neuf FRB ont été étudiés avec la première méthode et vingt-deux pour la seconde. Les résultats sont pour le moment négatifs mais cela ne signifie pas qu'ils le resteront car un signal gravitationnel n'est peut-être pas détectable pour des FRB proches. La sensibilité des détecteurs de ces ondes augmentant avec le temps, on pourrait finir par avoir de bonnes surprises et c'est pour cette raison que les recherches de ce type vont continuer, déjà dans les données qui seront collectées dans les six prochains mois avec Ligo et Virgo.