Un nouveau résultat de l’équipe SRR du télescope CHIME vient enrichir un faisceau de preuves qui donnent à penser que de nombreux sursauts radio rapides (SRR) proviennent d’étoiles à neutrons. Dans un article publié le 13 juillet par la revue Nature, l’équipe rapporte la détection d’un SRR qui émet des impulsions périodiques, le premier du genre à avoir été observé.

Les SRR sont d’immenses explosions d’ondes radio. Ils ne durent que quelques microsecondes, soit bien moins qu’un clin d’œil. Le premier SRR a été détecté en 2007, et seulement quelques dizaines d’autres ont été détectés dans la décennie qui a suivi. Leur origine est rapidement devenue l’un des mystères les plus étudiés de l’astrophysique moderne.

Les indices s’accumulent à un rythme vertigineux grâce à un radiotélescope canadien innovateur installé dans une vallée à Penticton, en Colombie-Britannique. En quelques années de fonctionnement, le télescope CHIME (Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment – Expérience canadienne de cartographie d’intensité de l’hydrogène) a déjà détecté des milliers de SRR. Son succès est en partie dû aux ingénieux algorithmes et logiciels mis au point par Kendrick Smith, professeur à l’Institut Périmètre, qui permettent au télescope CHIME de passer au crible en temps réel un torrent de données afin d’y détecter ces brefs signaux radio.

Parmi cette énorme quantité de données, on retrouve quelques premières notables : la première fois que l’on a trouvé l'origine d’un SRR (dans une galaxie spirale, à environ un demi-milliard d’années-lumière de la Terre); le premier SRR qui se répète périodiquement, tous les 16,3 jours; le premier SRR détecté à l'intérieur de notre propre galaxie, qui s’est avéré provenir d’un type d’étoile à neutrons appelé magnétar.

Chaque nouvelle découverte aide à mieux cerner les nombreuses causes possibles des SRR. La plus récente détection poursuit cette tendance.

Des « tic-tac d’horloge »

« Nous avons trouvé un SRR qui émet une série d’impulsions rapprochées, périodiques comme les tic-tac d’une horloge », déclare M. Smith, titulaire de la chaire Famille-Daniel-James-Peebles à l’Institut Périmètre. C’est la première fois que l’on observe ce genre de périodicité. « C’est un nouvel indice pointant vers l’origine des SRR. »

Ce nouveau signal persiste jusqu’à 3 secondes, soit environ 1 000 fois plus longtemps que le SRR moyen. À l’intérieur de cette fenêtre, l’équipe a détecté des sursauts d’ondes radio qui se répètent de manière nettement périodique toutes les 0,2 secondes.

Les chercheurs ont donné à ce signal l’étiquette FRB 20191221A. C’est jusqu’à ce jour le SRR le plus long et celui qui a le profil le plus nettement périodique.

La source du signal se situe dans une galaxie lointaine, à plusieurs milliards d’années-lumière de la Terre. La nature exacte de cette source demeure un mystère, mais les astronomes soupçonnent que le signal pourrait émaner d’un radiopulsar ou d’un magnétar, qui sont 2 types d’étoiles à neutrons — cœurs extrêmement denses et en rotation rapide résultant de l’effondrement d’étoiles géantes.

« Il n’y a pas beaucoup d’objets dans l’univers qui émettent des signaux strictement périodiques », déclare Daniele Michilli, un membre de l’équipe qui travaille à l’Institut de technologie du Massachusetts. « Les exemples que nous connaissons dans notre propre galaxie sont des radiopulsars et des magnétars, qui tournent sur eux-mêmes et émettent un faisceau analogue à celui d’un phare. Et nous croyons que ce nouveau signal pourrait venir d’un magnétar ou d’un pulsar très puissant. »

« C’est un résultat très intéressant, ajoute Kendrick Smith. C’est la première fois qu’un SRR non répéteur est lié à une étoile à neutrons. »

L’origine des SRR

En novembre 2020, l’équipe SRR du télescope CHIME a rapporté la détection d’un SRR répéteur 3 000 fois plus intense que tout autre SRR mesuré auparavant. Elle a déterminé que la source était probablement un magnétar situé dans notre propre galaxie.

Un magnétar est un type d’étoile à neutrons qui se distingue par ses champs magnétiques extraordinairement intenses. Les champs magnétiques de ces étoiles en rotation rapide peuvent produire de puissants sursauts de rayons X et de rayons gamma — ainsi que, probablement, des sursauts radio rapides.

Cette nouvelle détection laisse entendre que les SRR non répéteurs pourraient avoir une origine semblable. « Les SRR répéteurs et non répéteurs sont-ils un même type d’objet, se demande M. Smith, ou si ce sont des phénomènes sans lien entre eux qui produisent tous deux des impulsions radio? Cela reste une question ouverte.

« Nous ne savons pas encore si tous les SRR proviennent de magnétars. C’est assurément le cas pour certains d’entre eux. »

Mais comment exactement un magnétar pourrait-il produire un sursaut radio rapide? Nous avons le choix entre plusieurs modèles.

Selon certains modèles, l’impulsion radio est émise loin de l’étoile d’origine, lorsque les électrons éjectés par le magnétar entrent en collision avec de la matière extérieure comme les vestiges d’une supernova. Selon d’autres modèles, les SRR peuvent être émis dans la magnétosphère du magnétar — et même parmi ces modèles, plusieurs mécanismes différents sont proposés.

« Il y a toute une arborescence de possibilités, dit M. Smith ». Il fait aussi remarquer que certains indices ne cadrent pas exactement avec l’hypothèse des étoiles à neutrons ou des magnétars comme sources des SRR.

« L’une des observations les plus déroutantes du télescope CHIME a été la découverte d’un SRR répéteur dans un vieil amas globulaire, dit M. Smith. Ce n’est pas un environnement propice à la présence d’une jeune étoile à neutrons ou d’un magnétar. » Il fait toutefois valoir qu’un seul événement peut ne pas constituer une preuve solide contre le fait que la plupart des SRR pourraient provenir de magnétars.

« De futurs télescopes permettront de découvrir des milliers de SRR par mois, dit M. Michilli, ce qui pourrait nous fournir beaucoup plus de tels signaux périodiques. »

Très bientôt, l’équipe SRR du télescope CHIME ajoutera des télescopes satellites en Californie et en Virginie de l’Ouest, ce qui augmentera la résolution du télescope CHIME et permettra aux observateurs de déterminer plus facilement la galaxie d’origine d’un sursaut donné. Avec ce genre d’information, les chercheurs pourront déterminer si les SRR proviennent souvent d’environnements tels que des amas globulaires, où les étoiles à neutrons sont rares, ou bien si l’observation rapportée plus haut n’était qu’une coïncidence improbable.

« Les télescopes satellites de CHIME seront fantastiques pour cela, dit Kendrick Smith. C’est une époque incroyablement passionnante pour faire de la radioastronomie au Canada. »

– Avec des dossiers de Jennifer Chu, du MIT News

L’équipe SRR du télescope CHIME

L’équipe SRR du télescope CHIME réunit plus de 50 scientifiques sous la direction de l’Université McGill, de l’Université de la Colombie-Britannique, de l’Université de Toronto, de l’Institut Périmètre de physique théorique et du Conseil national de recherches du Canada (CNRC). Le financement de 16 millions de dollars pour la construction du télescope a été fourni par la Fondation canadienne pour l’innovation ainsi que par les gouvernements de la Colombie-Britannique, de l’Ontario et du Québec, avec des fonds supplémentaires de l’Institut Dunlap d’astronomie et d’astrophysique, du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada, et de l’Institut canadien de recherches avancées. Le télescope est situé dans les montagnes de la vallée de l’Okanagan, près de Penticton, en Colombie-Britannique, à l’Observatoire fédéral de radioastrophysique du CNRC. CHIME est une composante officielle de l’installation exploratoire SKA (Square Kilometre Array – Réseau d’un kilomètre carré).