Le concept de cet artiste montre des sursauts radio rapides lointains perçant les halos gazeux autour des galaxies de l'univers local. Les sursauts radio sont représentés voyageant du cosmos lointain, à travers les halos galactiques, et atteignant finalement les télescopes sur Terre. Les bosses vues dans deux des lignes représentent les sursauts radio se dirigeant vers la Terre. © Charles Carter
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Les sursauts radio rapides révèlent la matière cachée autour des galaxies

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[EN VIDÉO] Les sursauts radio rapides répétitifs  L’origine des sursauts radio rapides — ou Fast Radio Burst (FRB) — reste mystérieuse. Certains émettent un seul et unique flash d’ondes radio. D’autres, plus rares, semble-t-il, émettent des flashs de manière répétée. Sans doute le résultat d’un mouvement orbital. Mais le mécanisme exact reste à préciser. © NRAO Outreach 

Récemment identifiés comme des signaux en provenance de magnétars, les sursauts radio rapides se révèlent avoir une curieuse utilité : celle de quantifier la matière cachée des galaxies qui croisent leur chemin !

On ne connaît toujours pas leur origine, mais ils pourraient bien se révéler utiles. Dans une étude publiée dans la revue Nature Astronomy, des chercheurs ont pu calculer la masse des halos diffus qui entourent des galaxies se trouvant sur le chemin entre un sursaut radio rapide et nous. Découverts pour la première fois en 2007, les sursauts radio rapides, souvent raccourcis en FRB pour Fast radio bursts sont des signaux très rapides, d'une durée moyenne de quelques millisecondes, ayant lieu dans la gamme des ondes radio. Très énergétiques, ils dégagent en ces quelques millièmes de seconde autant d'énergie que le Soleil en une journée ! D'abord attribués à des biais instrumentaux ou encore des civilisations extraterrestres, ils pourraient provenir de nombreux objets astronomiques énergétiques : des supernovas, des pulsars, des trous noirs, et même des magnétars !

Les halos qui entourent les galaxies sont durs à scruter

Ce qui est sûr, c'est qu'on en reçoit de partout, et beaucoup, jusqu'à 10.000 par jour ! Certains possèdent de plus une périodicité, ou se répètent de manière indéterminée, comme FRB 20190520B, un sursaut rapide qui se répète sans arrêt, sans pour autant que des chercheurs arrivent à définir un cycle ! Mais, si à défaut de les comprendre parfaitement, on s'en servait pour explorer d'autres astres bien connus ? C'est l'idée des chercheurs du California Institute of Technology, qui ont décidé de sonder les halos de gaz diffus qui entourent les galaxies.

En effet, celles-ci se composent de bien plus que seulement leur matière visible par nos télescopes. Au-delà du halo stellaire, se trouve la couronne galactique : elle se compose de gaz chaud qui alimente la création d'étoiles tout en récupérant les débris laissés par les violentes explosions d'étoiles, les supernovas. Mais ce nuage de matière est difficilement observable, à cause de sa faible densité, inférieure à une particule par centimètre cube. « Ces réservoirs gazeux sont énormes. Si l'œil humain pouvait voir le halo sphérique qui entoure la galaxie voisine d'Andromède, le halo apparaîtrait mille fois plus grand que la lune », explique Liam Connor, premier auteur de l'étude et postdoctorant en astronomie à Caltech. Mais ce qui entoure cet immense halo ne l'est pas : encore au-delà de la couronne galactique se trouve un halo de matière noire. Présent dans toutes les galaxies, il les entoure bien au-delà de leur enveloppe visible, et contribue pour l'essentiel de leur masse.

La partie la plus visible de la Voie lactée se nomme le disque galactique. Mais ses frontières ne s'arrêtent pas là, car le halo qui entoure le disque fait tout autant partie de la Voie lactée. © Nasa, ESA, A. Feild

Les sursauts radio rapides, des « brochettes » de la matière entre nos télescopes et leur source

Aujourd'hui, les chercheurs proposent une solution innovante pour explorer les halos galactiques : observer la dispersion des sursauts radio rapides, et en déduire la masse gazeuse qu'ils ont traversée. En effet, ces derniers correspondent à des impulsions émises dans une gamme de fréquences, et peuvent donc se diviser en plusieurs signaux de fréquence unique. Alors qu'ils tracent leur chemin jusqu'à nous, ils rencontrent des électrons qui accompagnent la matière environnante, notamment celle des halos galactiques. Or, à chaque rencontre d'électron, ces signaux sont ralentis : de manière générale, plus la longueur d'onde est grande (donc la fréquence petite), plus le ralentissement subi est fort. Les mesures de dispersion consistent à étudier l'allongement d'un signal en mesurant le retard accumulé, et à en déduire la quantité d'électrons, donc de matière, qu'il a rencontrée. « Nous avons utilisé des sursauts radio rapides pour faire briller une lumière à travers les halos des galaxies proches de la Voie lactée et mesurer leur matière cachée », explique Liam Connor.

Pour tester leur méthode, les chercheurs ont utilisé un échantillon de 474 sursauts radio rapides répertoriés par l'Expérience canadienne de cartographie de l'hydrogène (CHIME), un radiotélescope situé en Colombie-Britannique. Ils ont ensuite comparé les mesures de dispersion pour chaque sursaut, et combiné ces données avec la présence ou non de galaxie sur leur chemin. Et ils ont conclu qu'en effet, les sursauts croisant des galaxies étaient bien plus ralentis que les autres. « Notre étude montre que les FRB peuvent agir comme des brochettes de toute la matière entre nos radiotélescopes et la source des ondes radio », s'enthousiasme Liam Connor. Ils ont de plus calculé la masse rencontrée par ces sursauts radio rapides correspondant au halo galactique rencontré, et ont mesuré une quantité de matière deux fois plus élevée que la quantité théorique ! « Ce n'est que le début », déclare Vikram Ravi, coauteur de l'étude et professeur d'astronomie à Caltech. « Alors que nous découvrons plus de FRB, nos techniques peuvent être appliquées pour étudier des halos individuels de différentes tailles et dans différents environnements, en abordant le problème non résolu de la répartition de la matière dans l'univers. » 


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