Des signaux radio extrêmement rapides provenant d’une source surprenante. Un amas d’étoiles anciennes (à gauche) proche de la galaxie spirale Messier 81 (M81) est la source de signaux radio extraordinairement brillants et courts. L’image montre en bleu-blanc un graphique de l’évolution de la luminosité d’un flash en l’espace de quelques dizaines de microsecondes seulement. Crédit : Daniëlle Futselaar, artsource.nl
Les astronomes ont été surpris par la source la plus proche de mystérieux flashs dans le ciel, appelés sursauts radio rapides. Des mesures précises effectuées à l’aide de radiotélescopes révèlent que les sursauts sont produits par de vieilles étoiles, et d’une manière à laquelle personne ne s’attendait. La source de ces flashs, dans la galaxie spirale voisine M 81, est la plus proche de la Terre.
Les sursauts radio rapides sont des éclairs de lumière imprévisibles et extrêmement courts provenant de l’espace. Les astronomes se sont efforcés de les comprendre depuis leur découverte en 2007. Jusqu’à présent, ils n’ont été observés que par des radiotélescopes.
Chaque éclair ne dure que quelques millièmes de seconde. Pourtant, chacun d’entre eux émet autant d’énergie que le Soleil en émet en une journée. Plusieurs centaines d’éclairs se produisent chaque jour, et ils ont été vus partout dans le ciel. La plupart se trouvent à des distances énormes de la Terre, dans des galaxies situées à des milliards d’années-lumière.
Dans deux articles publiés en parallèle cette semaine dans les journaux Nature et Nature Astronomyune équipe internationale d’astronomes présente des observations qui rapprochent les scientifiques de la résolution du mystère, tout en soulevant de nouvelles énigmes. L’équipe est dirigée conjointement par Franz Kirsten (Chalmers, Suède, et ASTRON, Pays-Bas) et Kenzie Nimmo (ASTRON et Université d’Amsterdam).
Source de mystérieux signaux radio : une impression d’artiste d’un magnétar dans un amas d’étoiles anciennes (en rouge) près de la galaxie spirale Messier 81 (M81). Crédit : Daniëlle Futselaar, artsource.nl
Les scientifiques ont entrepris d’effectuer des mesures de haute précision d’une source d’éclatement répétitive découverte en janvier 2020 dans la constellation d’Ursa Major, la Grande Ourse.
“Nous voulions chercher des indices sur l’origine des sursauts. En utilisant conjointement de nombreux radiotélescopes, nous savions que nous pouvions localiser la source dans le ciel avec une extrême précision. Cela nous permet de voir à quoi ressemble le voisinage local d’un sursaut radio rapide”, explique Franz Kirsten.
Pour étudier la source avec la plus haute résolution et sensibilité possible, les scientifiques ont combiné les mesures des télescopes du réseau européen VLBI (EVN). En combinant les données de 12 antennes paraboliques réparties sur la moitié du globe, en Suède, en Lettonie, aux Pays-Bas, en Russie, en Allemagne, en Pologne, en Italie et en Chine, ils ont pu déterminer exactement d’où provenait la source dans le ciel.
Les mesures de l’EVN ont été complétées par des données provenant de plusieurs autres télescopes, dont le Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) au Nouveau-Mexique, aux Etats-Unis.
Une localisation proche mais surprenante
Lorsqu’ils ont analysé leurs mesures, les astronomes ont découvert que les flashs radio répétés provenaient d’un endroit auquel personne ne s’attendait. Ils ont localisé les sursauts à la périphérie de la galaxie spirale Messier 81 (M 81), située à environ 12 millions d’années-lumière. Il s’agit donc de la plus proche détection d’une source de sursauts radio rapides jamais réalisée.
Une autre surprise nous attendait. L’emplacement correspondait exactement à un amas dense d’étoiles très anciennes, connu sous le nom d’amas globulaire.
“C’est étonnant de trouver des sursauts radio rapides provenant d’un amas globulaire. C’est un endroit de l’espace où l’on ne trouve que de vieilles étoiles. Plus loin dans l’univers, des sursauts radio rapides ont été découverts dans des endroits où les étoiles sont beaucoup plus jeunes. Il devait s’agir d’autre chose”, explique Kenzie Nimmo.
De nombreux sursauts radio rapides ont été découverts entourés d’étoiles jeunes et massives, bien plus grosses que le Soleil. Dans ces endroits, les explosions d’étoiles sont fréquentes et laissent derrière elles des vestiges fortement magnétisés. Les scientifiques en sont venus à penser que les sursauts radio rapides peuvent être créés dans des objets appelés magnétars. Les magnétars sont les restes extrêmement denses d’étoiles qui ont explosé. Et ce sont les aimants connus les plus puissants de l’univers.
“Nous nous attendons à ce que les magnétars soient brillants et neufs, et certainement pas entourés de vieilles étoiles. Donc si ce que nous observons ici est vraiment un magnétar, alors il ne peut pas avoir été formé par l’explosion d’une jeune étoile. Il doit y avoir un autre moyen”, explique Jason Hessels, membre de l’équipe, de l’Université d’Amsterdam et d’ASTRON.
Les scientifiques croient que la source des flashs radio est quelque chose qui a été prédit, mais qui n’a jamais été découvert.Un magnétar qui s’est formé lorsqu’une white dwarf became massive enough to collapse under its own weight.
“Strange things happen in the multi-billion-year life of a tight cluster of stars. Here we think we’re seeing a star with an unusual story,” explains Franz Kirsten.
Given time, ordinary stars like the Sun grow old and transform into small, dense, bright objects called white dwarfs. Many stars in the cluster live together in binary systems. Of the tens of thousands of stars in the cluster, a few get close enough that one star collects material from the other.
That can lead to a scenario known as “accretion-induced collapse,” Kirsten explains.
“If one of the white dwarfs can catch enough extra mass from its companion, it can turn into an even denser star, known as a neutron star. That’s a rare occurrence, but in a cluster of ancient stars, it’s the simplest way of making fast radio bursts,” says team member Mohit Bhardwaj, McGill University, Canada.
Fastest ever
Looking for further clues by zooming into their data, the astronomers found another surprise. Some of the flashes were even shorter than they had expected.
“The flashes flickered in brightness within as little as a few tens of nanoseconds. That tells us that they must be coming from a tiny volume in space, smaller than a soccer pitch and perhaps only tens of meters across,” says Kenzie Nimmo.
Similarly, lightning-fast signals have been seen from one of the sky’s most famous objects, the Crab pulsar. It is a tiny, dense, remnant of a supernova explosion that was seen from Earth in 1054 CE in the constellation of Taurus, the Bull. Both magnetars and pulsars are different kinds of neutron stars: super-dense objects with the mass of the Sun in a volume the size of a city, and with strong magnetic fields.
“Some of the signals we measured are short and extremely powerful, in just the same way as some signals from the Crab pulsar. That suggests that we are indeed seeing a magnetar, but in a place that magnetars haven’t been found before,” says Kenzie Nimmo.
Future observations of this system and others will help to tell whether the source really is an unusual magnetar, or something else, like an unusual pulsar or a black hole and a dense star in a close orbit.
“These fast radio bursts seem to be giving us new and unexpected insight into how stars live and die. If that’s true, they could, like supernovae, have things to tell us about stars and their lives across the whole universe,” says Franz Kirsten.
References:
“A repeating fast radio burst source in a globular cluster” by F. Kirsten, B. Marcote, K. Nimmo, J. W. T. Hessels, M. Bhardwaj, S. P. Tendulkar, A. Keimpema, J. Yang, M. P. Snelders, P. Scholz, A. B. Pearlman, C. J. Law, W. M. Peters, M. Giroletti, Z. Paragi, C. Bassa, D. M. Hewitt, U. Bach, V. Bezrukovs, M. Burgay, S. T. Buttaccio, J. E. Conway, A. Corongiu, R. Feiler, O. Forssén, M. P. Gawroński, R. Karuppusamy, M. A. Kharinov, M. Lindqvist, G. Maccaferri, A. Melnikov, O. S. Ould-Boukattine, A. Possenti, G. Surcis, N. Wang, J. Yuan, K. Aggarwal, R. Anna-Thomas, G. C. Bower, R. Blaauw, S. Burke-Spolaor, T. Cassanelli, T. E. Clarke, E. Fonseca, B. M. Gaensler, A. Gopinath, V. M. Kaspi, N. Kassim, T. J. W. Lazio, C. Leung, D. Z. Li, H. H. Lin, K. W. Masui, R. Mckinven, D. Michilli, A. G. Mikhailov, C. Ng, A. Orbidans, U. L. Pen, E. Petroff, M. Rahman, S. M. Ransom, K. Shin, K. M. Smith, I. H. Stairs and W. Vlemmings, 23 February 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-021-04354-w
“Burst timescales and luminosities as links between young pulsars and fast radio bursts” by K. Nimmo, J. W. T. Hessels, F. Kirsten, A. Keimpema, J. M. Cordes, M. P. Snelders, D. M. Hewitt, R. Karuppusamy, A. M. Archibald, V. Bezrukovs, M. Bhardwaj, R. Blaauw, S. T. Buttaccio, T. Cassanelli, J. E. Conway, A. Corongiu, R. Feiler, E. Fonseca, O. Forssén, M. Gawroński, M. Giroletti, M. A. Kharinov, C. Leung, M. Lindqvist, G. Maccaferri, B. Marcote, K. W. Masui, R. Mckinven, A. Melnikov, D. Michilli, A. G. Mikhailov, C. Ng, A. Orbidans, O. S. Ould-Boukattine, Z. Paragi, A. B. Pearlman, E. Petroff, M. Rahman, P. Scholz, K. Shin, K. M. Smith, I. H. Stairs, G. Surcis, S. P. Tendulkar, W. Vlemmings, N. Wang, J. Yang and J. P. Yuan, 23 February 2022, Nature Astronomy.
DOI: 10.1038/s41550-021-01569-9
