Les mystérieux « cercles radio » se forment-ils lors des explosions de galaxies ?

Au début des années 1960, en réussissant à identifier la contrepartie optique d'une source radio puissante découverte par des radiotélescopes de l'époque et baptisée 3C 273, les astronomesastronomes remarquent qu'elle ressemble à une étoile mais que son spectre lumineux est fortement décalé vers le rouge. Dans le cadre de la cosmologie relativiste de l'époque déjà plutôt bien développée, cela signifierait qu'elle se trouve à des milliards d'années-lumière de distance et qu'elle dégage donc, pour être visible d'aussi loin, des quantités d'énergiesénergies prodigieuses et presque incroyables, car aucune étoile normale ni même explosion d'étoile ne peut physiquement en rendre compte.

Plusieurs hypothèses exotiquesexotiques sont proposées pour expliquer l'existence de cette source, et d'autres similaires, que les radioastronomes vont découvrir au cours de la même décennie. Une hypothèse conservatrice supposait qu'il s'agissait bien d'étoiles mais très massives et possédant donc un décalage vers le rougedécalage vers le rouge important du fait de leur champ de gravitationgravitation, une prédiction bien connue de la théorie de la relativité générale dès sa découverte par EinsteinEinstein. Ces étoiles seraient alors proches et leur luminositéluminosité intrinsèque n'aurait alors rien d'extraordinaire.

Le réseau de radiotélescopes Askap et l'observatoire de radioastronomie de Murchison en Australie occidentale. © Alex Cherney, CSIRO

D'autres chercheurs, au cours de la même décennie où la théorie du Big Bang va rapidement s'imposer après la découverte du rayonnement fossilerayonnement fossile en 1965, sont plus audacieux et explorent, comme Igor Novikov et Yuval Ne'eman l'ont proposé, l'idée que ce que l'on appelle déjà des quasars puisse être des régions de l'UniversUnivers dont l'expansion au moment du Big BangBig Bang avait été retardée (hypothèse des lagging core). Ils iront même jusqu'à avancer que ces phénomènes cosmiques sont l'autre extrémité de trous de ver éjectant la matièrematière qu'ils avaient absorbée sous forme de trous noirs dans une autre partie du cosmoscosmos, voire dans un autre univers.

Nous pensons savoir maintenant que les quasars sont des noyaux actifs de galaxies contenant un trou noir supermassiftrou noir supermassif accrétant de la matière, tel M87*, aujourd’hui imagé par les membres de la collaboration Event Horizon Telescope.

Des quasars aux ORC

Or, depuis 2019, l'astronome anglo-australien Ray Norris et ses collègues sont très perplexes devant une poignée d'objets qu'ils ont découverts au moyen de l'Australian Square Kilometre Array Pathfinder (Askap), le réseau de radiotélescopes australien qui a servi de prototype pour le très attendu Square Kilometre Array (SKA), un projet de radiotélescope géant virtuel, de surface collectrice équivalente à un kilomètre carré, en cours de réalisation et qui combine plusieurs instruments.

Le premier objet insolite révélé par Askap a été nommé ORC 1, ORC pour acronyme de « odd radio circles », ce qui peut se traduire par « cercles radio étranges ».

Comme leur nom l'indique, ils apparaissaient en radio sous la forme d'anneaux mais auxquels rien n'était associé dans le domaine visible, ce qui éliminait l'hypothèse qu'il puisse s'agir de restes de supernovaesupernovae ou des nébuleuses planétairesnébuleuses planétaires qui peuvent elle aussi avoir ce genre d'aspect. On pouvait écarter comme peu probable aussi qu'il s'agisse de lobes radio associés à des jets de trous noirs supermassifstrous noirs supermassifs car ils sont beaucoup plus irréguliers.

À gauche, la découverte originale d'ORC 1 dans les données du radiotélescope Askap par l'équipe d'étude scientifique de la carte évolutive de l'univers (EMU). À droite, l'observation ultérieure d'ORC 1 avec le radiotélescope MeerKAT. © L'équipe EMU, utilisant les données du continuum radio Askap et MeerKAT

La distance et donc aussi la taille de ces cercles n'étaient pas encore déterminées au début. Mais cela vient de changer et une publication dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS), que l'on peut consulter en libre accès sur arXiv, commence à donner des éléments de réponse.

Les astronomes ont mobilisé le radiotélescope sud-africain MeerKAT, lui aussi un précurseur du SKA auquel on doit déjà des découvertes, pour observer avec une meilleure résolutionrésolution ORC 1. Il a alors été possible de trouver une nouvelle source radio au centre du cercle radio, source que l'on a pu associer à une galaxiegalaxie. Au final, les données collectées laissent maintenant penser que l'on est en présence d'un anneau situé à un milliard d'années-lumière de la Voie lactéeVoie lactée et d'un diamètre en conséquence d'environ un million d'années-lumière.

Des conclusions similaires ont été atteintes avec MeerKAT et il semble maintenant que les ORC sont de gigantesques bulles de gazgaz très chaud dont les contours apparaissent plus brillants, car on voit en tranche une épaisseur plus importante de matière contenant des électronsélectrons relativistes formant un plasma plongé dans des champs magnétiqueschamps magnétiques et qui rayonne en conséquence. La présence de champs magnétiques est trahie par la polarisation des ondes radio mesurées avec MeerKAT. Ce type de rayonnement dit synchrotron, car observé dans ces accélérateurs de particules sur Terre, est bien connu dans la Voie lactée et aussi dans la nébuleuse du Crabe.

Les bulles apparaissent centrées sur les galaxies détectées et il semble donc clair et établi qu'elles ont été soufflées par ces galaxies comme s'il s'agissait du front de l'onde de choc d'une explosion quasi sphérique.

La nature de l'explosion reste élusive cependant. Il pourrait s'agit d'un phénomène non prédit et non encore observé quand deux trous noirs supermassifs entrent en collision après la fusionfusion de deux galaxies.

Il pourrait s'agit aussi d'une brusque formation par effondrementeffondrement gravitationnel d'environ un million d'étoiles dans une galaxie, la naissance de ces étoiles entraînant un brusque souffle de plasma quittant la galaxie.

On devrait en savoir plus avec un gain supplémentaire en résolution une fois le SKA pleinement opérationnel.