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Une nouvelle théorie pour les impulsions radio rapides (FRB)

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L'observatoire de Paris

En 2007, Duncan Lorimer et ses collègues du radiotélescope de Parkes en Australie enregistraient une impulsion radio de 5 millisecondes. Cette impulsion était unique, de forte amplitude, et l’analyse menée avec les techniques habituelles révélait qu’elle venait d’une région très lointaine du cosmos, à environ 500 méga-parsecs, c’est à dire 1,5 milliards d’années-lumière, bien au delà de l’amas local de notre galaxie. Les seuls signaux présentant une ressemblance avec le signal de Lorimer sont les impulsions radio des pulsars. Les pulsars sont des étoiles à neutrons qui tournent sur elles-mêmes de une à plusieurs centaines de fois par seconde. Ils émettent des rayonnements radio, mais aussi parfois des rayons X, des rayons gamma, et de la lumière visible. Les pulsars émettent ces impulsions de manière répétitive à chaque tour que fait l’étoile, tandis que l’impulsion de Lorimer était unique. Et surtout, tous les pulsars observés sont dans notre galaxie ou dans les nuages de Magellan, mais pas dans de lointaines galaxies. Leur rayonnement n’est pas assez puissant pour être vu à 500 méga-parsecs. Une controverse s’est donc développée à propos de l’impulsion de Lorimer : est-ce vraiment un signal d’origine astronomique ? Et si c’est le cas, quelle en est la cause ?

Depuis 2007, d’autres impulsions ont été observées. On les appelle maintenant des impulsions radio rapides ("Fast Radio Bursts" ou FRB). Leur origine astronomique semble se confirmer, mais leur cause demeure très discutée. Certains évoquent des phénomènes cataclysmiques comme une collision d’étoiles naines blanches, ou d’étoiles à neutrons, ou l’effondrement rapide d’une étoile à neutron très massive en trou noir.
Ces évènements se dérouleraient très loin de notre galaxie. D’autres suggèrent des phénomènes éruptifs d’étoiles de notre galaxie. Mais avec tous ces phénomènes, on s’attend à des émissions simultanées à d’autres longueurs d’onde (optique, ou X ou gamma), alors que seules des émissions radio sont observées à ce jour.

Deux astronomes de l’Observatoire de Paris proposent une autre explication, liée aux pulsars, mais indirectement. Ces émissions pourraient provenir d’objets en orbite autour des pulsars. En effet, comme beaucoup d’autres étoiles, de nombreux pulsars ont des compagnons. Ce peuvent être des étoiles (en général des naines blanches, parfois une autre étoile à neutrons), ou des planètes (on en connaît cinq autour de pulsars), ou même des comètes ou des astéroïdes. Il se trouve que ces compagnons n’orbitent pas dans le vide, mais dans un vent de matière émis par l’étoile à neutrons. Ce vent très peu dense est extrêmement rapide. Sa vitesse est très proche de la vitesse de la lumière "c". Moyennant certaines conditions déterminées par la théorie, tout objet situé dans ce vent développe un sillage. Il faut que ce vent aille moins vite que la vitesse des ondes de déformation du champ magnétique -appelées : "ondes d’Alfven"-, elle-même plus petite que "c". On peut faire une analogie avec le sillage qu’aurait un bateau surfant très vite sur l’eau. Mais le vent du pulsar est constitué de particules électriquement chargées (des électrons, des positrons et peut-être des noyaux d’atomes) et ce sillage est le siège de phénomènes électromagnétiques. Il porterait un courant électrique très fort (cent milliards d’Ampères dans certains cas), qui lui-même serait instable, selon un phénomène bien connu et observé dans le système solaire. Cette instabilité serait la source des ondes radio observées. Tout cela est développé dans un article paru dans "Astronomy and Astrophysics". Ce modèle a l’avantage d’expliquer pourquoi seules des ondes radio sont observées.

Il explique aussi pourquoi on verrait ce signal de très loin : le signal émis par le compagnon du pulsar ne serait certes pas puissant comme celui d’une fusion d’étoiles. Cependant, il serait émis par une source entraînée à la vitesse du vent du pulsar le long du sillage, c’est à dire par une source se propageant presque à la vitesse de la lumière. A cause d’un effet nommé "aberration relativiste", toute l’énergie émise par cette source très rapide est alors concentrée dans un faisceau extrêmement fin. On aurait donc extrêmement peu de chance de croiser ce faisceau d’où la rareté des FRB. Mais si on le croise, le signal est intense au point qu’on puisse le détecter à des centaines de méga-parsecs.

Si cette théorie est la bonne, alors les FRB seraient les signaux les plus lointains que l’on pourrait observer de la part d’une planète ou d’une étoile dans son fonctionnement normal. De plus, lorsque le compagnon du pulsar reviendra s’aligner avec l’étoile à neutrons et la Terre, un FRB devrait à nouveau être observable. Si les FRB deviennent observables à intervalles de temps réguliers, il y aura de fortes raisons de penser que ce modèle est le bon.

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