Le radiotélescope de Parkes, en Australie, a pu observer un sursaut radio rapide. Le signal radio est polarisé circulairement. Cela signifie que le champ électrique des ondes émises tourne autour de la direction de propagation de l'onde. © Swinburne Astronomy Productions

Sciences

Les sursauts radio rapides, des trous noirs en collision avec la matière noire ?

ActualitéClassé sous :matière noire , trou noir , axion

Les sursauts radio rapides fascinent, mais de quoi s'agit-il ? Ils pourraient être la manifestation de la présence d' « étoiles axioniques », une composante possible de la matière noire, en orbite autour des trous noirs supermassifs.

Qu’est-ce que la matière noire ?  La matière noire est l'une des grandes énigmes de l'astrophysique. Si les particules qui la constituent existent bien, elles devraient nous permettre de comprendre l'origine des galaxies. Mais leur nature reste un mystère. Stefano Panebianco, ingénieur de recherche au CEA, nous explique cette question très ouverte. 

Les astrophysiciens et les physiciens théoriciens sont particulièrement perplexes devant les sursauts radio rapides. Ce phénomène est observé depuis une dizaine d'années mais son importance, ou plus exactement son étrangeté, n'est comprise que depuis peu. Les sursauts radio rapides (FRB pour Fast Radio Bursts en anglais) sont des flashs d'ondes radio qui durent quelques millisecondes. Ils ont d'abord été trouvés dans les archives des observations de plusieurs radiotélescopes puis, en 2014, l'un d'entre eux a été détecté en direct à l'aide du Parkes Telescope, situé en Australie.

La brièveté de ces signaux implique (pour des raisons liées au fait que la vitesse de propagation d'un effet physique fait varier la luminosité d'un objet) qu'ils sont émis à partir d'une région dont la taille n'est que de quelques centaines de kilomètres tout au plus. On sait aussi que les parties à hautes fréquences et celles à basses fréquences d'une impulsion électromagnétique arrivent avec des décalages d'autant plus importants que l'impulsion a voyagé loin dans l'univers en traversant des régions contenant de la matière. Ce phénomène, dénommé en anglais dispersion measure (DM), est bien connu avec les pulsars.

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 étoiles standard et étant capables d'émettre en quelques millisecondes autant d'énergie que le Soleil en une journée.

Le prix Nobel de physique Frank Wilczek. Il a proposé l'existence d'une nouvelle particule, l'axion, qui constituerait peut-être une part importante de la matière noire. © Cern

Des étoiles axioniques plongées dans un champ magnétique

Toutefois, les astronomes ont 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. Plusieurs hypothèses, qui vont de la technosignature de civilisations extraterrestres à celle d'explosion d'étoiles de Planck, ont donc été avancées. L'une des plus récentes vient de faire l'objet d'une publication intéressante sur arXiv.

Elle fait intervenir l'existence de ce qui a été appelé « des étoiles axioniques ». Comme leur nom l'indique, il s'agit d'objets qui seraient composés d'axions, des particules de très faible masse, se couplant faiblement aux autres particules et qui sont de bonnes candidates au titre de particules de matière noire. Les calculs indiquent en effet qu'elles pourraient avoir été produites en grandes quantités au moment du Big Bang et qu'elles auraient pu ensuite former des sortes de condensats de Bose-Einstein de la masse d'un astéroïde, mais dont la taille serait de quelques mètres seulement.

Ces étoiles axioniques seraient plus nombreuses au cœur des galaxies et elles auraient donc plus de chance de se trouver sur des orbites qui les font entrer en collision avec les disques d'accrétion entourant des trous noirs supermassifs. Dans ces disques, règnent de puissants champs magnétiques. Or, la théorie des axions nous dit que ces particules peuvent se convertir en photons quand elles sont plongées dans un champ magnétique, et ce d'autant plus que ce dernier est intense.

Les FRB pourraient donc être des étoiles axioniques en train de se convertir en bouffées d'ondes électromagnétiques. Cela expliquerait aussi pourquoi certains se répètent : la transformation de l'étoile serait incomplète et se produirait à nouveau jusqu'à dissipation totale lorsque son orbite complexe la ramènerait dans le disque d'accrétion d'un trou noir.

  • Les axions sont des particules de matière noire dont l'existence est crédible et qui pourraient avoir été produites en masse au moment du Big Bang.
  • Ces particules pourraient s'être rassemblées sous forme d'objets très denses appelés « des étoiles axioniques ». Celles-ci peuvent se transformer en rayonnement électromagnétique lorsqu'elles sont plongées dans un champ magnétique.
  • Plus nombreuses aux abords des trous noirs supermassifs des galaxies, elles pourraient entrer en collision avec leurs disques d'accrétion, où elles finiraient par disparaître sous forme de sursauts radio rapides.