Les données du radiotélescope MeerKAT de SARAO (en vert) montrant un cercle radio superposées aux données dans le visible et le proche infrarouge du Dark Energy Survey permettent de former cette image en fausses couleurs. © J. English (U. Manitoba), EMU, MeerKAT, DES(CTIO)
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Les mystérieux « cercles radio » se forment-ils lors des explosions de galaxies ?

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[EN VIDÉO] Les 20 ans de Futura avec Françoise Combes  2021 c'est l'année des 20 ans de Futura ! À cette grande occasion, nous avons demandé à nos parrains de s'exprimer sur le sujet... Françoise Combes s'est notamment prêtée à l'exercice et nous livre son analyse d'astrophysicienne sur le passé, mais aussi sur les 20 prochaines années. 

Il y a quelques années, des radioastronomes ont découvert de mystérieux objets dans le cosmos observable dont la nature et la distance restaient inconnues. On commence à en apprendre plus sur ces objets qui seraient des bulles de plasma chaud provoquées par des explosions gigantesques de galaxies à des milliards d'années-lumière de la Voie lactée, explosions dont la cause reste à comprendre.

Au début des années 1960, en réussissant à identifier la contrepartie optique d'une source radio puissante découverte par des radiotélescopes de l'époque et baptisée 3C 273, les astronomes remarquent qu'elle ressemble à une étoile mais que son spectre lumineux est fortement décalé vers le rouge. Dans le cadre de la cosmologie relativiste de l'époque déjà plutôt bien développée, cela signifierait qu'elle se trouve à des milliards d'années-lumière de distance et qu'elle dégage donc, pour être visible d'aussi loin, des quantités d'énergies prodigieuses et presque incroyables, car aucune étoile normale ni même explosion d'étoile ne peut physiquement en rendre compte.

Plusieurs hypothèses exotiques sont proposées pour expliquer l'existence de cette source, et d'autres similaires, que les radioastronomes vont découvrir au cours de la même décennie. Une hypothèse conservatrice supposait qu'il s'agissait bien d'étoiles mais très massives et possédant donc un décalage vers le rouge important du fait de leur champ de gravitation, une prédiction bien connue de la théorie de la relativité générale dès sa découverte par Einstein. Ces étoiles seraient alors proches et leur luminosité intrinsèque n'aurait alors rien d'extraordinaire.

Le réseau de radiotélescopes Askap et l'observatoire de radioastronomie de Murchison en Australie occidentale. © Alex Cherney, CSIRO

D'autres chercheurs, au cours de la même décennie où la théorie du Big Bang va rapidement s'imposer après la découverte du rayonnement fossile en 1965, sont plus audacieux et explorent, comme Igor Novikov et Yuval Ne'eman l'ont proposé, l'idée que ce que l'on appelle déjà des quasars puisse être des régions de l'Univers dont l'expansion au moment du Big Bang avait été retardée (hypothèse des lagging core). Ils iront même jusqu'à avancer que ces phénomènes cosmiques sont l'autre extrémité de trous de ver éjectant la matière qu'ils avaient absorbée sous forme de trous noirs dans une autre partie du cosmos, voire dans un autre univers.

Nous pensons savoir maintenant que les quasars sont des noyaux actifs de galaxies contenant un trou noir supermassif accrétant de la matière, tel M87*, aujourd’hui imagé par les membres de la collaboration Event Horizon Telescope.

Des quasars aux ORC

Or, depuis 2019, l'astronome anglo-australien Ray Norris et ses collègues sont très perplexes devant une poignée d'objets qu'ils ont découverts au moyen de l'Australian Square Kilometre Array Pathfinder (Askap), le réseau de radiotélescopes australien qui a servi de prototype pour le très attendu Square Kilometre Array (SKA), un projet de radiotélescope géant virtuel, de surface collectrice équivalente à un kilomètre carré, en cours de réalisation et qui combine plusieurs instruments.

Le premier objet insolite révélé par Askap a été nommé ORC 1, ORC pour acronyme de « odd radio circles », ce qui peut se traduire par « cercles radio étranges ».

Comme leur nom l'indique, ils apparaissaient en radio sous la forme d'anneaux mais auxquels rien n'était associé dans le domaine visible, ce qui éliminait l'hypothèse qu'il puisse s'agir de restes de supernovae ou des nébuleuses planétaires qui peuvent elle aussi avoir ce genre d'aspect. On pouvait écarter comme peu probable aussi qu'il s'agisse de lobes radio associés à des jets de trous noirs supermassifs car ils sont beaucoup plus irréguliers.

À gauche, la découverte originale d'ORC 1 dans les données du radiotélescope Askap par l'équipe d'étude scientifique de la carte évolutive de l'univers (EMU). À droite, l'observation ultérieure d'ORC 1 avec le radiotélescope MeerKAT. © L'équipe EMU, utilisant les données du continuum radio Askap et MeerKAT

La distance et donc aussi la taille de ces cercles n'étaient pas encore déterminées au début. Mais cela vient de changer et une publication dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS), que l'on peut consulter en libre accès sur arXiv, commence à donner des éléments de réponse.

Les astronomes ont mobilisé le radiotélescope sud-africain MeerKAT, lui aussi un précurseur du SKA auquel on doit déjà des découvertes, pour observer avec une meilleure résolution ORC 1. Il a alors été possible de trouver une nouvelle source radio au centre du cercle radio, source que l'on a pu associer à une galaxie. Au final, les données collectées laissent maintenant penser que l'on est en présence d'un anneau situé à un milliard d'années-lumière de la Voie lactée et d'un diamètre en conséquence d'environ un million d'années-lumière.

Des conclusions similaires ont été atteintes avec MeerKAT et il semble maintenant que les ORC sont de gigantesques bulles de gaz très chaud dont les contours apparaissent plus brillants, car on voit en tranche une épaisseur plus importante de matière contenant des électrons relativistes formant un plasma plongé dans des champs magnétiques et qui rayonne en conséquence. La présence de champs magnétiques est trahie par la polarisation des ondes radio mesurées avec MeerKAT. Ce type de rayonnement dit synchrotron, car observé dans ces accélérateurs de particules sur Terre, est bien connu dans la Voie lactée et aussi dans la nébuleuse du Crabe.

Les bulles apparaissent centrées sur les galaxies détectées et il semble donc clair et établi qu'elles ont été soufflées par ces galaxies comme s'il s'agissait du front de l'onde de choc d'une explosion quasi sphérique.

Vue d'artiste de la formation d'un des étranges cercles radio à partir d'une explosion depuis une galaxie centrale. On pense qu'il faut 1 milliard d'années à la bulle de l'explosion pour atteindre la taille que nous connaissons aujourd'hui. Les cercles radio sont si gros (des millions d'années-lumière de diamètre) qu'ils se sont étendus au-delà de leurs galaxies sources. © Sam Moorfield/CSIRO

La nature de l'explosion reste élusive cependant. Il pourrait s'agit d'un phénomène non prédit et non encore observé quand deux trous noirs supermassifs entrent en collision après la fusion de deux galaxies.

Il pourrait s'agit aussi d'une brusque formation par effondrement gravitationnel d'environ un million d'étoiles dans une galaxie, la naissance de ces étoiles entraînant un brusque souffle de plasma quittant la galaxie.

On devrait en savoir plus avec un gain supplémentaire en résolution une fois le SKA pleinement opérationnel.


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