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

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Un mystérieux flash radio éclaire l'énigme des protons perdus

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Laurent Sacco, Futura-Sciences

Étoiles de Planck ? Collisions d’astres 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 Soleil en émet en une journée. Mais l’un des derniers détectés a enfin pu être localisé dans une galaxie, à 6 milliards d'années-lumière. En bonus, il donne des informations sur les protons manquants de l’univers.

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 radiotélescope 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 astrophysiques 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 X et gamma. Plusieurs hypothèses ont été avancées pour les expliquer, comme des supernovae, 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.

Déjà en 2013, les premiers FRB connus laissaient penser qu'ils se produisaient en dehors de la Voie lactée à des distances cosmologiques. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle avec deux barres horizontales en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître, si ce n'est pas déjà le cas. En cliquant ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, vous devriez voir l'expression « Traduire les sous-titres ». Cliquez pour faire apparaître le menu du choix de la langue, choisissez « français », puis cliquez sur « OK » © CAASTRO, YouTube

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

Les astrophysiciens n'ont pas tardé à mettre en place un programme d'observation pour tenter d'en savoir plus, à savoir le Superb (Survey for Pulsars and Extragalactic Radio Bursts). Il s'agissait de pouvoir mobiliser rapidement des radiotélescopes et des télescopes optiques pour pouvoir observer dans plusieurs longueurs 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 17e 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 résolution 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 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 zoom montrant la localisation du FRB observée dans le visible par le télescope Subaru et finalement le localisation sous forme d'ellipse du rayonnement radio ayant succédé pendant 6 jours au FRB observé par l'ATCA.

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 neutrons 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 cosmos. Via les équations 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 nuages de gaz dans les galaxies, et même dans les amas 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 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 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 standard.

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

Interview : qu’est-ce qu’une étoile de Planck ?  La relativité générale bute sur le Big Bang et les trous noirs, qui sont des « singularités ». Et si les trous noirs, à force de se contracter, pouvaient rebondir ? Et si notre univers était né de cette manière ? C'est l'hypothèse des « étoiles de Planck », que nous explique Aurélien Barrau, astrophysicien spécialisé en cosmologie et auteur du livre Des univers multiples. 

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