RÉSUMÉ DE RECHERCHE

RÉSUMÉ DE
RECHERCHE
COSMOLOGIE ET GRAVITÉ
UN SURSAUT RADIO RAPIDE RÉPÉTITIF
Les sursauts radio rapides (fast radio burts, FRB) sont des sursauts de lumière énigmatiques observés
par des radiotélescopes qui proviennent de l’extérieur de notre galaxie, la Voie lactée. L’énergie
implicite de ces phénomènes distants laisse croire aux astrophysiciens qu’ils seraient le résultat
d’événements cataclysmiques qui auraient détruit leur source. Toutefois, la découverte de sursauts
radio rapides répétitifs démontre que la libération d’énergie n’entraîne pas la destruction de la source
et que cette libération peut se produire plusieurs fois en l’espace de quelques minutes.
OBJET DE L’ÉTUDE
Le sursaut radio rapide FRB 121102, observé pour la première fois par l’observatoire d’Arecibo en 2012, a fait l’objet
d’observations de suivi pour tenter de détecter une activité répétitive provenant de la même source. De telles
observations des positions célestes d’où proviennent les sursauts radio rapides n’avaient jamais rien révélé.
CONTEXTE
Les sursauts radio rapides sont des éclairs lumineux
de l’ordre de millisecondes, d’origine astronomique
inconnue, observés à des radiofréquences d’environ
1 GHz. Nous avons une compréhension limitée du
phénomène, car il a été impossible de cerner des
sources homologues dans la lumière visible ou à toute
autre longueur d’onde dans le cadre d’observations
de suivi. De plus, en raison du champ de vision limitée
des radiotélescopes actuels, nous n’avons observé que
quelques douzaines de ces sursauts jusqu’à présent.
Toutefois, des extrapolations laissent suggérer qu’il
doit y en avoir des milliers dans la totalité du ciel.
Les signaux radio cosmiques sont habituellement
dispersés – étalés et déformés après avoir parcouru de
vastes distances à travers le plasma diffus qui infiltre
l’espace entre les étoiles et les galaxies. La quantité de
dispersion permet aux astronomes d’évaluer la quantité
totale de plasma entre la Terre et la source du signal. Les
sursauts radio rapides sont très dispersés et on évalue
que la quantité de plasma qui nous sépare de leur origine
dépasse le volume de la Voie lactée, indiquant par le fait
même la source extragalactique des sursauts. En fait, la
dispersion des sursauts les plus fortement étalés laisse
croire que les sursauts ont parcouru 10 milliards d’années-
lumière, une bonne partie du chemin jusqu’à l’autre
extrémité de l’Univers observable. La dispersion pourrait
aussi être causée par de denses nuages de plasma autour
des sources, en quel cas les sources pourraient se trouver
dans des galaxies avoisinantes à seulement quelques
centaines de millions d’années-lumière
La luminosité observée des sursauts radio rapides et
les immenses distances en jeu laissent sous-entendre
que les FRB sont des phénomènes énergétiques
qui libèrent en quelques millisecondes la quantité
d’énergie que le Soleil produit en quelques jours.
Des astrophysiciens ont donc émis l’hypothèse que
les FRB sont des signaux émanant d’événements
cataclysmiques qui détruisent leurs sources, comme
la collision de deux étoiles moribondes. D’un autre
côté, si les sources se trouvent dans des galaxies
relativement proches, alors l’énergie libérée éventuelle
pourrait provenir d’événements tout aussi exotiques,
mais moins énergétiques. Parmi les autres possibilités,
notons : tremblement stellaire dans la croûte dure
d’une étoile à neutrons hautement magnétisée ou
pulsar au comportement erratique – étoile à neutrons
à rotation rapide qui libère son énergie rotative sous la
forme d’impulsions radio.
RÉSULTATS
La source de FRB 121102 émet des sursauts répétitifs.
Des chercheurs ont découvert que dix autres FRB
provenaient de la même position céleste que le
sursaut d’origine FRB 121102. La même position céleste
et l’étalement de dispersion identique de tous ces
sursauts indiquent sans équivoque qu’ils proviennent
de la même source. Les sursauts étaient très
rapprochés dans le temps : les observations de suivi
ont duré environ 15 heures, mais six des sursauts ont
été observés en l’espace de dix minutes, et deux des
sursauts se sont manifestés à seulement 30 secondes
d’intervalle.
Les sursauts répétitifs de cette source sont diversifiés.
Les onze sursauts repérés proviennent sans ambiguïté
de la même source, mais la luminosité, la durée et le
spectre (variation de la luminosité en fonction de la
longueur d’onde, l’équivalent radio de la couleur de la
lumière) varient beaucoup d’un sursaut à l’autre. Une
illustration de ce phénomène se trouve à la Figure 1.
MÉTHODES
Le sursaut radio rapide FRB 121102 a été découvert
par le radiotélescope William E. Gordon de 305 m
de l’Observatoire d’Arecibo, à l’aide de données
recueillies dans le cadre du relevé de pulsars
PALFA le 2 novembre 2012. Comme il est d’usage,
des observations de suivi de la position céleste
où les sursauts ont été observés ont eu lieu en
décembre 2013 et aucun sursaut répétitif n’a été
observé.
En mai et juin 2015, on a mené des observations
de suivi de plus grande envergure à l’Observatoire
d’Arecibo. Cette deuxième campagne d’observation
comptait dix heures d’observation réparties sur six
nuits.
Le traitement des données s’est fait à l’aide d’un
logiciel spécialisé qui commence par repérer et extraire
les données contaminées par des signaux radio
d’origine humaine et qui tente ensuite de cerner des
sursauts de lumière en tenant compte de l’étalement
causé par la dispersion. Le logiciel a présenté les
sursauts candidats sous la forme d’une série de tracés
que l’équipe de recherche a ensuite examinés.
Les chercheurs ont analysé des données télescopiques
d’archives d’une variété de télescopes couvrant
différentes fourchettes de longueurs d’onde et ont
écarté la possibilité qu’une nébuleuse galactique puisse
être à l’origine de l’étalement de dispersion observé.
Ils ont donc conclu que les sursauts sont d’origine
extragalactique.
RÉPERCUSSIONS
L’observation de multiples sursauts provenant d’une même source exclut la possibilité que ces FRB constituent la
signature d’événements cataclysmiques qui détruisent leur source. Conséquemment, les explications qui mettent en
jeu la collision d’objets stellaires ou de supernovas ne sont plus viables. Comme les sources produisent de multiples
sursauts en l’espace de quelques minutes, les chercheurs favorisent l’hypothèse d’une source à plus grande
proximité – à des centaines de millions d’années-lumière plutôt qu’à des milliards d’années-lumière – où l’énergie
libérée par chaque sursaut serait donc inférieure. Parmi les explications les plus plausibles du phénomène des FRB,
notons les tremblements stellaires d’étoiles à neutrons magnétisées ou les pulsars erratiques.
Preparé par Kiyoshi Masui
INSTITUT CANADIEN DE RECHERCHES AVANCÉES
1400-180, Rue Dundas Ouest
Toronto, ON M5G 1Z8
www.icra.ca
Obs. frequency (MHz)
Burst 1
1,500
1,450
1,400
2012-11-02
MJD 56233
1,350
1,300
1,250
Obs. frequency (MHz)
Burst 2
Burst 3
S/N
0 3 6
S/N
0 3 6
1,500
1,450
1,400
2015-05-17
MJD 57159
1,350
1,300
1,250
Burst 4
Obs. frequency (MHz)
S/N
0 3 6
Burst 5
S/N
0 4 8
S/N
0 3
1,500
1,450
1,400
2015-06-02
MJD 57175
(two scans)
1,350
1,300
1,250
Burst 6
Burst 7
S/N
0
2
Burst 8
S/N
0 3
S/N
40
80
S/N
40
80
Obs. frequency (MHz)
1,500
1,450
1,400
1,350
1,300
1,250
Burst 9
Burst 10
S/N
0 4 8
Burst 11
S/N
0 15
Obs. frequency (MHz)
1,500
1,450
1,400
1,350
1,300
1,250
−40
−20
0
Time (ms)
20
40
−40
−20
0
Time (ms)
20
40
−40
−20
0
20
40
Time (ms)
Figure 1 (fichier PDF ci-joint) : Luminosité des sursauts de la source de FRB 121102 en fonction du temps et de la radiofréquence
(l’inverse de la longueur d’onde). Les sous-panneaux supérieurs illustrent le profil temporel des sursauts, dont la moyenne est établie en
fonction de la fréquence, et les sous-panneaux inférieurs illustrent le spectre des sursauts. On a compensé et éliminé l’effet d’étalement
de la dispersion. Les sursauts présentent une grande variété sur le plan de la forme, du spectre et de la luminosité.