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Les sursauts radio rapides : des explosions d'étoiles de Planck ?

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Les sursauts radio rapides sont des flashs mystérieux durant lesquels est libérée, en quelques millièmes de seconde, autant d'énergie que le Soleil en émet en une journée. Le dernier détecté a permis aux astrophysiciens d'éliminer l'hypothèse qu'ils puissent être associés à des supernovae. Parmi les autres hypothèses avancées pour les expliquer figure celle des étranges étoiles de Planck...

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. 

Les sursauts gamma sont encore quelque peu mystérieux pour les astrophysiciens. Des progrès dans l'élucidation de cette énigme ont toutefois été significatifs lorsque leur localisation a pu être effectuée avec précision et qu'il a été possible, parfois, de les associer à des contreparties dans d'autres longueurs d'onde, rayons X, ultraviolets ou visibles. Ce fut notamment le cas avec le satellite Swift.

La même feuille de route est en train d'être suivie pour tenter de résoudre une nouvelle énigme de l'astrophysique moderne, celle des sursauts radio rapides (FRB pour Fast Radio Bursts en anglais). Ceux-ci 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.

Ces « sursauts Lorimer », du nom de leur découvreur, sont extrêmement brefs, quelques millièmes de seconde tout au plus. Pendant plusieurs années, ils ont laissé la communauté scientifique sceptique. Une poignée seulement était connue dans les observations du radiotélescope australien, de sorte que l'on pouvait facilement les mettre sur le dos d'un effet parasite quelconque associé à l'instrument.

Un sursaut radio rapide se manifeste par un brusque pic du signal dans un radiotélescope. Celui-ci ne dure que quelques millisecondes, comme tous les sursauts radio rapides connus à ce jour. © Swinburne Astronomy Productions

Plusieurs hypothèses pour expliquer les sursauts radio rapides

Les choses ont commencé à changer lorsque les radioastronomes ont découvert des FRB dans les données collectées par le mythique télescope d'Arecibo (celui-ci a notamment servi à mettre indirectement en évidence l'existence des ondes gravitationnelles ainsi qu'à envoyer un message vers les étoiles dans le cadre du programme Seti). Les FRB ne pouvaient donc pas résulter d'un biais instrumental.

Au total, sept FRB sont attestés dans les mesures réalisées avec le radiotélescope de Parkes et autant avec celui d'Arecibo. La réalité du phénomène a donc rendu les astrophysiciens perplexes. Quel phénomène pouvait conduire à l'émission, en quelques millisecondes, d'autant d'énergie que le Soleil en un jour ?

Plusieurs hypothèses ont été avancées. Il pouvait par exemple s'agir de supernovae ou bien de magnétars. En tout état de cause, les chercheurs pouvaient raisonnablement penser que ces événements cosmiques avaient lieu en dehors de la Voie lactée et qu'il devait s'en produire environ 10.000 par jour sur l'entièreté de la voûte céleste. L'hypothèse la plus fascinante est celle des étoiles de Planck, en phase finale d'évaporation, qui se comportent en quelque sorte comme des trous blancs. Cette idée a été avancée par Aurélien Barrau, Carlo Rovelli et Francesca Vidotto dans un article disponible sur arxiv.

Pionniers de la gravitation et de la cosmologie quantique à boucles, Carlo Rovelli et Francesca Vidotto ont récemment renouvelé le concept de trou noir en le remplaçant par celui d'étoile de Planck. La singularité centrale des trous noirs y serait éliminée car issue d'un artefact de traitement classique, non quantique, de la géométrie de l'espace-temps à petite échelle. © Patrimoine de l'Institut international des sciences théoriques, Francesca Vidotto.

Des trous noirs qui finissent en trous blancs

Les étoiles de Planck sont des astres compacts qui se présentent pendant une partie de leur vie sous la forme d'un trou noir classique, comme l'ont expliqué Carlo Rovelli et Francesca Vidotto lorsqu'ils ont proposé l'existence de ce nouvel objet en physique et astrophysique théorique.

Depuis les travaux des pionniers John Wheeler et Yakov Zel'dovich, il a été démontré que la géométrie de l'espace-temps interne d'une étoile s'effondrant en trou noir ressemble (en inversant le sens du temps) à celle de l'univers observable au moment du Big Bang. Or les travaux récents menés dans le cadre de la cosmologie quantique à boucles laissent fortement penser que le Big Bang résulte en fait d'une phase de contraction gravitationnelle de l'Univers qui se change en expansion quand sa densité devient de l'ordre de celle de Planck. Il était donc possible d'imaginer que la matière et l'espace-temps à l'intérieur d'un trou noir nouvellement formé finissait par produire un rebond une fois la densité de Planck atteinte. De sorte que le trou noir finissait en fait par disparaître dans l'éjection de son contenu à la façon d'un trou blanc, c'est-à-dire un trou noir inversé où la contraction inévitable se change en expansion inévitable en quelque sorte.

Mais voila qu'une équipe d'astrophysiciens vient, elle aussi, de déposer sur arxiv un article faisant état des analyses d'observations faites non seulement avec le radiotélescope de Parkes mais aussi Swift et le Nordic Optical Telescope de La Palma aux Canaries. Les chercheurs y annoncent qu'ils ont observé pour la première fois en direct un FRB et, surtout, qu'ils ont pu chercher à lui associer simultanément une source dans le domaine des rayons X et dans le visible.

S'ils ont pu confirmer qu'il s'agit bien d'un événement extragalactique, et même situé à plus de 5,5 milliards d'années-lumière, ils n'ont pas trouvé de source brillant dans le visible ou dans le domaine des rayons X. Il est donc maintenant clair qu'il ne peut s'agir de supernovae et donc de sursauts gamma longs. Le signal radio mesuré avec le radiotélescope de Parkes apparaît aussi comme nettement polarisé. Cela signifie qu'un champ magnétique important était associé au FRB.

Les chercheurs pensent donc maintenant que les FRB sont associés à des objets compacts, c'est-à-dire des étoiles à neutrons... ou des trous noirs.

Le radiotélescope de Parkes a pu observer un sursaut radio rapide. Le signal radio est polarisé circulairement ce qui veut dire que le champ électrique des ondes émises tournent autour de la direction de propagation de l'onde. © Swinburne Astronomy Productions