Les sursauts radio rapides étaient une énigme lorsqu’ils ont été repérés pour la première fois. Au début, chaque FRB suivait le même schéma : une énorme poussée d’énergie dans les longueurs d’onde radio qui durait moins d’une seconde, puis la rafale avait disparu, sans jamais se répéter. Au départ, nous soupçonnions que les FRB pourraient être des problèmes matériels dans nos détecteurs, mais au fil du temps, la récurrence des rafales nous a convaincus qu’ils étaient réels.
Depuis, nous avons identifié des sources de sursauts répétés et associé les FRB à une source qui produit de l’énergie en dehors de la portée radio. Cela nous a finalement aidés à pointer du doigt une seule source : les magnétars, ou étoiles à neutrons qui ont des champs magnétiques extrêmement intenses.
Maintenant, la réalité est partie et a jeté une clé à molette dans cette explication simple et agréable. Une nouvelle source répétitive de FRB a été identifiée, et elle réside dans un endroit où nous ne nous attendrions pas à trouver de magnétars. Cela ne signifie pas que la source n’est pas d’un magnétar, mais nous devons recourir à des explications inhabituelles pour sa formation.
Neutrons en rotation
Un magnétar est une forme d’étoile à neutrons, c’est-à-dire ce qui reste après l’effondrement d’une étoile suffisamment massive pour générer une supernova mais pas assez massive pour former un trou noir. Au fur et à mesure que ce résidu est compressé en une soupe de neutrons, la matière d’une étoile à neutrons se rétrécit jusqu’à ce qu’elle ne mesure qu’environ 20 kilomètres de diamètre. Cet objet compact hérite de toute l’énergie de rotation de son étoile parente, ce qui la fait tourner à un rythme rapide, souvent favorisé par l’ajout de matière provenant de son environnement.
Dans de nombreux cas, cette rotation rapide se traduit par des pulsars, des étoiles à neutrons dont les sources de rayonnement semblent clignoter rapidement au rythme de la rotation de l’étoile. Dans d’autres, l’étoile à neutrons se retrouve avec un champ magnétique intense, ce qui en fait un magnétar. Les lignes de champ magnétique intense d’un magnétar sont entraînées par sa rotation, créant souvent des interactions à haute énergie avec son environnement.
Mais ces phénomènes de haute énergie ont tendance à ne pas durer longtemps, du moins en termes astronomiques. Toutes ces interactions énergétiques avec l’environnement amènent l’étoile à neutrons à perdre de l’énergie, ralentissant sa rotation et réduisant l’intensité de toute lumière qu’elle produit. Par exemple, on pense que les magnétars ont généralement une durée de vie de l’ordre de seulement 10 000 ans avant de sombrer dans une existence plus calme.
De plus, la supernova qui forme les magnétars se produit dans des étoiles relativement jeunes, généralement âgées de quelques millions d’années seulement.
Cette combinaison – une mort stellaire précoce et une courte durée de vie des magnétars – signifie que nous ne nous attendons à voir des magnétars que dans des zones avec une abondance de jeunes étoiles. Les populations d’étoiles plus anciennes auraient dû voir des magnétars se former et disparaître des milliards d’années plus tôt.
Ça venait d’où ?
Le nouveau travail, effectué par une grande équipe internationale, consistait à suivre la découverte d’une autre source FRB répétitive, appelée FRB 20200120E. Pour identifier où se trouvait FRB 20200120E, l’équipe s’est tournée vers le pouvoir de résolution du réseau européen d’interférométrie à très longue base, qui peut utiliser jusqu’à 22 télescopes dispersés dans le monde. L’équipe a réussi à obtenir suffisamment de ces télescopes pointés vers la source répétitive pour imager cinq FRB individuels.
De la manière dont fonctionne la reconstruction des données de ces différents télescopes, une seule rafale ne nous donnera pas un emplacement précis. Au lieu de cela, une gamme d’emplacements possibles peut être identifiée. En combinant les emplacements qui correspondent à chacune de ces rafales, les chercheurs ont pu fournir un emplacement probable pour la source FRB.
Cette source s’est avérée être un amas globulaire d’étoiles dans la galaxie voisine M81. Sur la base de l’incertitude restante concernant l’emplacement de FRB 20200120E et la fréquence des amas globulaires au sein de M81, l’équipe de recherche estime que les chances que FRB 20200120E ne soit pas dans cet amas globulaire ne sont que d’environ 1 sur 10 000.
La recherche de cet endroit n’a pas révélé de source persistante de signaux radio. Aucune source de haute énergie, basée sur des recherches utilisant des télescopes à rayons X et gamma, n’a été trouvée non plus. Donc, il n’y a pas d’objet évident à haute énergie là-bas.
Ce qui est vieux est à nouveau nouveau ?
Cet endroit est étrange. Les amas globulaires sont surtout connus pour être constitués de populations de vieilles étoiles. Il est peu probable qu’il y ait eu des supernovae formant des étoiles à neutrons depuis des milliards d’années. Cela devrait donc probablement exclure la présence d’un magnétar, n’est-ce pas ?
Pas entièrement. Une poignée de mécanismes pourraient produire un magnétar soit sans supernova, soit longtemps après qu’elle se soit produite. Ces mécanismes reposent principalement sur une étoile compagne proche. Si le compagnon est une étoile normale, il peut alimenter en matière une étoile naine blanche jusqu’à ce que la naine s’effondre en une étoile à neutrons. Ou diverses combinaisons de naines blanches et d’étoiles à neutrons peuvent fusionner, produisant également une étoile à neutrons. Enfin, nous savons qu’un compagnon normal peut « faire tourner » une étoile à neutrons auparavant silencieuse en l’alimentant en matière.
N’importe lequel de ces processus pourrait potentiellement produire un magnétar au sein d’une population d’étoiles anciennes. Quel processus – le cas échéant – a effectivement eu lieu au FRB 20200120E peut être difficile à déterminer, étant donné l’absence apparente de toute activité non éclatée sur le site.
Dans tous les cas, la découverte suggère que, si les magnétars étaient la source de tous les FRB, nous pourrions nous attendre à les voir dans une gamme d’environnements beaucoup plus large que ce qui aurait été prédit avant cette découverte. Et nous ne voudrions peut-être pas encore exclure la prise en compte des sources non magnétiques.
Nature, 2022. DOI : 10.1038/s41586-021-04354-w (À propos des DOI).