Conception artistique d’un sursaut radio rapide atteignant la Terre. Crédit : Jingchuan Yu, Planétarium de Pékin.
Une nouvelle étude menée par une équipe internationale de scientifiques identifie la polarisation comme une caractéristique clé qui pourrait révéler l’origine des puissantes explosions radio cosmiques d’une durée de quelques millisecondes.
Près de 15 ans après la découverte des sursauts radio rapides (FRBs), l’origine de ces explosions cosmiques de quelques millisecondes dans l’espace lointain reste un mystère.
Cela pourrait bientôt changer, grâce au travail d’une équipe internationale de scientifiques – dont l’astrophysicien de l’UNLV Bing Zhang – qui a suivi des centaines de sursauts provenant de cinq sources différentes et a trouvé des indices dans les modèles de polarisation des FRB qui pourraient révéler leur origine. Les conclusions de l’équipe ont été rapportées dans le numéro du 17 mars 2022 de la revue Science.
Les FRBs produisent des ondes radio électromagnétiques, qui sont essentiellement des oscillations de champs électriques et magnétiques dans l’espace et le temps. La direction du champ électrique oscillant est décrite comme la direction de la polarisation. En analysant la fréquence de polarisation dans les FRBs observés à partir de diverses sources, les scientifiques ont révélé des similitudes dans les FRBs répétés qui indiquent un environnement complexe à proximité de la source des éclats.
“Il s’agit d’un pas important vers la compréhension de l’origine physique des FRBs”, a déclaré Zhang, un professeur distingué d’astrophysique de l’UNLV qui a co-écrit l’article et contribué à l’interprétation théorique des phénomènes.
Pour établir le lien entre les sursauts, une équipe de recherche internationale, dirigée par Yi Feng et Di Li des Observatoires astronomiques nationaux de l’Académie chinoise des sciences, a analysé les propriétés de polarisation de cinq sources de sursauts répétés à l’aide de l’imposant radiotélescope à ouverture sphérique de cinq cents mètres (FAST) et du télescope Robert C. Byrd Green Bank (GBT). Depuis la découverte des FRB en 2007, les astronomes du monde entier se sont tournés vers de puissants radiotélescopes tels que FAST et GBT pour suivre les sursauts et chercher des indices sur leur origine et leur mode de production.
Bien qu’elle soit encore considérée comme mystérieuse, la source de la plupart des FRBs est généralement considérée comme étant les magnétars, des étoiles à neutrons de la taille d’une ville, incroyablement denses, qui possèdent les champs magnétiques les plus puissants de l’univers. Ils présentent généralement une polarisation de près de 100 %. À l’inverse, dans de nombreuses sources astrophysiques qui impliquent des plasmas chauds aléatoires, comme le Soleil et d’autres étoiles, l’émission observée n’est pas polarisée car les champs électriques oscillants ont des orientations aléatoires.
C’est là que le travail de détective cosmique entre en jeu.
Dans une étude que l’équipe a publiée l’année dernière dans la revue NatureFAST a détecté 1 652 impulsions provenant du répéteur actif FRB 121102. Bien que d’autres télescopes utilisant des fréquences plus élevées aient découvert que les sursauts de la source étaient hautement polarisés – ce qui correspond aux magnétars – aucun des sursauts détectés par FAST dans sa bande de fréquence n’était polarisé, bien que FAST soit le plus grand radiotélescope monodisque du monde.
“Nous avons été très surpris par l’absence de polarisation”, a déclaré Feng, premier auteur de l’étude récemment publiée. Science Science. “Plus tard, lorsque nous avons examiné systématiquement d’autres FRBs répétitifs avec d’autres télescopes dans différentes bandes de fréquences – en particulier celles qui sont plus élevées que celle de FAST, une image unifiée est apparue.”
Selon Zhang, l’image unifiée est que chaque source FRB répétitive est entourée d’un plasma. This plasma produces different rotation of the polarization angle as a function of frequency, and the received radio waves come from multiple paths due to scattering of the waves by the plasma.
When the team accounted for just a single adjustable parameter, Zhang says, the multiple observations revealed a systematic frequency evolution, namely depolarization toward lower frequencies.
“Such a simple explanation, with only one free parameter, could represent a major step toward a physical understanding of the origin of repeating FRBs,” he says.
Di Li, a corresponding author of the study, agrees that the analysis could represent a corner piece in completing the cosmic puzzle of FRBs. “For example, the extremely active FRBs could be a distinct population,” he says. “Alternatively, we’re starting to see the evolutionary trend in FRBs, with more active sources in more complex environments being younger explosions.”
The study, “Frequency-dependent polarization of repeating fast radio bursts—implications for their origin,” appeared March 17 in the journal Science. It includes 25 co-authors from 11 institutions and is part of long-running collaboration among institutions. In addition to UNLV and NAOC, collaborating institutions also include Yunnan University, Princeton University, Western Sidney University, Peking University and Green Bank Observatory, USA.
Reference: “Frequency-dependent polarization of repeating fast radio bursts—implications for their origin” by Yi Feng, Di Li, Yuan-Pei Yang, Yongkun Zhang, Weiwei Zhu, Bing Zhang, Wenbin Lu, Pei Wang, Shi Dai, Ryan S. Lynch, Jumei Yao, Jinchen Jiang, Jiarui Niu, Dejiang Zhou, Heng Xu, Chenchen Miao, Chenhui Niu, Lingqi Meng, Lei Qian, Chao-Wei Tsai, Bojun Wang, Mengyao Xue, Youling Yue, Mao Yuan, Songbo Zhang and Lei Zhang, 17 March 2022, Science.
DOI: 10.1126/science.abl7759
