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Des astronomes découvrent de mystérieuses rafales répétées d’ondes radio provenant de l’espace extra-atmosphérique

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Magnétar émettant des ondes radio

Vue d’artiste d’une étoile à neutrons dotée d’un champ magnétique ultra-fort, appelée magnétar, émettant des ondes radio (rouge). Les magnétars sont un candidat de premier plan pour ce qui génère des rafales radio rapides. Crédit : Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF

En radioastronomie, une rafale radio rapide (FRB) est une impulsion radio transitoire d’une durée allant d’une fraction de milliseconde à quelques millisecondes, causée par un mystérieux processus astrophysique à haute énergie qui n’a pas encore été découvert. Les astronomes estiment que le FRB moyen libère autant d’énergie en une milliseconde (un millième de seconde) que le Soleil en émet en 3 jours (soit plus de 250 000 secondes).

Duncan Lorimer et son étudiant David Narkevic ont découvert le premier FRB en 2007, et il est communément connu sous le nom de Lorimer Burst. Depuis, bien d’autres FRB ont été détecté. Un de ceux-là, FRB 180916est extrêmement mystérieux parce qu’il palpite sur un régulièrement tous les 16,35 jours.

Maintenant, les astronomes n’ont trouvé que le deuxième exemple d’un sursaut radio rapide très actif et répétitif avec une source compacte d’émission radio plus faible mais persistante entre les sursauts. La découverte soulève de nouvelles questions sur la nature de ces objets mystérieux et aussi sur leur utilité en tant qu’outils pour étudier la nature de l’espace intergalactique. Les scientifiques ont utilisé le Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) de la National Science Foundation et d’autres télescopes pour étudier l’objet, découvert pour la première fois en 2019.

L’objet, appelé FRB 190520, a été trouvé par le radiotélescope sphérique à ouverture de cinq cents mètres (FAST) en Chine. Une rafale de l’objet s’est produite le 20 mai 2019 et a été trouvée dans les données de ce télescope en novembre de la même année. Des observations de suivi avec FAST ont montré que, contrairement à de nombreux autres FRB, il émet des rafales fréquentes et répétées d’ondes radio.

Rafale radio rapide VLA FRB 190520

Image VLA de Fast Radio Burst FRB 190520 (rouge), combinée à une image optique, lorsque le FRB éclate. Crédit : Niu, et al. ; Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF ; CFHT

Les observations avec le VLA en 2020 ont identifié l’emplacement de l’objet, ce qui a permis aux observations en lumière visible avec le télescope Subaru à Hawaï de montrer qu’il se trouve à la périphérie d’une galaxie naine à près de 3 milliards d’années-lumière de la Terre. Les observations du VLA ont également révélé que l’objet émet constamment des ondes radio plus faibles entre les rafales.

“Ces caractéristiques font que celui-ci ressemble beaucoup au très premier FRB dont la position a été déterminée – également par le VLA – en 2016 », a déclaré Casey Law, de Caltech. Ce développement a été une percée majeure, fournissant les premières informations sur l’environnement et la distance d’un FRB. Cependant, sa combinaison de rafales répétées et d’émissions radio persistantes entre les rafales, provenant d’une région compacte, a placé l’objet 2016, appelé FRB 121102, à l’écart de tous les autres FRB connus, jusqu’à présent.

FRB 190520

La région de FRB 190520, vue en lumière visible, avec l’image VLA du Fast Radio Burst s’animant entre l’éclatement et l’éclatement de l’objet. Crédit : Niu, et al. ; Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF ; CFHT

“Maintenant, nous en avons deux comme celui-ci, et cela soulève des questions importantes”, a déclaré Law. Law fait partie d’une équipe internationale d’astronomes qui rapportent leurs découvertes dans la revue La nature.

Les différences entre FRB 190520 et FRB 121102 et tous les autres renforcent une possibilité suggérée précédemment selon laquelle il peut y avoir deux types différents de FRB.

« Est-ce que ceux qui répètent sont différents de ceux qui ne le font pas ? Qu’en est-il de l’émission radio persistante – est-ce courant ? » a déclaré Kshitij Aggarwal, un étudiant diplômé de la West Virginia University (WVU).

Les astronomes suggèrent qu’il peut y avoir soit deux mécanismes différents produisant des FRB, soit que les objets qui les produisent peuvent agir différemment à différents stades de leur évolution. Les principaux candidats pour les sources de FRB sont les étoiles à neutrons super denses qui restent après l’explosion d’une étoile massive en supernova, ou les étoiles à neutrons avec des champs magnétiques ultra-puissants, appelées magnétars.

FRB 190520 Carte du ciel

Localisation de FRB 190520 dans le ciel. Crédit : Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF

Une caractéristique de FRB 190520 remet en question l’utilité des FRB comme outils pour étudier la matière entre eux et la Terre. Les astronomes analysent souvent les effets des matériaux intermédiaires sur les ondes radio émises par des objets distants pour en savoir plus sur ce matériau ténu lui-même. Un de ces effets se produit lorsque les ondes radio traversent un espace contenant des électrons libres. Dans ce cas, les ondes à haute fréquence se déplacent plus rapidement que les ondes à basse fréquence.

Cet effet, appelé dispersion, peut être mesuré pour déterminer la densité d’électrons dans l’espace entre l’objet et la Terre, ou, si la densité d’électrons est connue ou supposée, fournir une estimation approximative de la distance à l’objet. L’effet est souvent utilisé pour faire des estimations de distance aux pulsars.

Cela n’a pas fonctionné pour FRB 190520. Une mesure indépendante de la distance basée sur le décalage Doppler de la lumière de la galaxie causé par l’expansion de l’Univers a placé la galaxie à près de 3 milliards d’années-lumière de la Terre. Cependant, le signal de la rafale montre une quantité de dispersion qui indiquerait normalement une distance d’environ 8 à 9,5 milliards d’années-lumière.

“Cela signifie qu’il y a beaucoup de matériel près du FRB qui confondrait toute tentative de l’utiliser pour mesurer le gaz entre les galaxies”, a déclaré Aggarwal. “Si c’est le cas avec d’autres, alors nous ne pouvons pas compter sur l’utilisation des FRB comme critères cosmiques”, a-t-il ajouté.

Les astronomes ont émis l’hypothèse que FRB 190520 pourrait être un “nouveau-né”, toujours entouré d’un matériau dense éjecté par l’explosion de la supernova qui a laissé derrière lui le[{” attribute=””>neutron star. As that material eventually dissipates, the dispersion of the burst signals also would decline. Under the “newborn” scenario, they said, the repeating bursts also might be a characteristic of younger FRBs and dwindle with age.

“The FRB field is moving very fast right now and new discoveries are coming out monthly. However, big questions still remain, and this object is giving us challenging clues about those questions,” said Sarah Burke-Spolaor, of WVU.

Reference: “A repeating fast radio burst associated with a persistent radio source” by C.-H. Niu, K. Aggarwal, D. Li, X. Zhang, S. Chatterjee, C.-W. Tsai, W. Yu, C. J. Law, S. Burke-Spolaor, J. M. Cordes, Y.-K. Zhang, S. K. Ocker, J.-M. Yao, P. Wan, Y. Feng, Y. Niino, C. Bochenek, M. Cruces, L. Connor, J.-A. Jiang, S. Dai, R. Luo, G.-D. Li, C.-C. Miao, J.-R. Niu, R. Anna-Thomas, J. Sydnor, D. Stern, W.-Y. Wang, M. Yuan, Y.-L. Yue, D.-J. Zhou, Z. Yan, W.-W. Zhu and B. Zhang, 8 June 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-04755-5

The National Radio Astronomy Observatory is a facility of the National Science Foundation, operated under cooperative agreement by Associated Universities, Inc.

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