Ondes gravitationnelles d’étoiles à neutrons en collision associées à une rafale radio rapide

Les sursauts radio rapides (FRB) ont été détectés pour la première fois en 2007 (le Lorimer Burst) et sont restés l’un des phénomènes astronomiques les plus mystérieux depuis. Ces impulsions radio lumineuses durent généralement quelques millisecondes et ne sont plus jamais entendues (sauf dans le cas rare des FRB répétitifs). Et puis vous avez les ondes gravitationnelles (GW), un phénomène prédit par la relativité générale qui a été détecté pour la première fois le 14 septembre 2015. Ensemble, ces deux phénomènes ont conduit à une révolution dans l’astronomie où des événements sont détectés régulièrement et fournissent de nouvelles informations sur d’autres phénomènes cosmiques. mystères.

Dans une nouvelle étude menée par l’Australian Research Council Center of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav), une équipe de chercheurs australo-américains a révélé que les FRB et les GW pourraient être connectés. Selon leur étude, parue récemment dans la revue Astronomie naturelle, l’équipe a noté une coïncidence potentielle entre une fusion binaire d’étoiles à neutrons et un FRB brillant non répétitif. S’ils sont confirmés, leurs résultats pourraient confirmer ce que les astronomes attendent depuis un certain temps – que les FRB sont causés par une variété d’événements astronomiques.

L’équipe de recherche comprenait des physiciens d’OzGrav, de l’Université d’Australie-Occidentale, du Centre international de recherche en radioastronomie (ICRAR) de l’Université Curtin et du Centre d’astrophysique du Nevada (NCfA) de l’Université du Nevada. L’étude a été dirigée par Alexandra Moroianu, une étudiante de troisième cycle de l’École de physique, de mathématiques et d’informatique de l’UWA, qui a travaillé avec des chercheurs d’OzGrav, de l’ICRAR et de la NCfA pour étudier un événement GW qui coïncidait avec un FRB (une coïncidence très improbable ).

Les causes possibles des FRB ont été débattues depuis leur première détection, avec des candidats allant des trous noirs, des étoiles à neutrons et des magnétars à d’éventuelles transmissions extraterrestres. À ce jour, plus de 1 000 FRB ont été détectés grâce à des radiotélescopes dédiés, comme le Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (CHIME) et le Australian Square Kilometre Array Pathfinder (ASKAP). Au fil du temps, les jeunes magnétars sont devenus le candidat préféré des astrophysiciens, bien que des observations récentes aient renforcé l’idée que les FRB pourraient avoir une variété de progéniteurs.

“Les astronomes prédisent depuis longtemps que deux étoiles à neutrons – un binaire – fusionnant pour produire un trou noir devraient également produire une rafale d’ondes radio. Les deux étoiles à neutrons seront hautement magnétiques et les trous noirs ne peuvent pas avoir de champs magnétiques. L’idée est que la disparition soudaine des champs magnétiques lorsque les étoiles à neutrons fusionnent et s’effondrent en un trou noir produit une rafale radio rapide. Les champs magnétiques changeants produisent des champs électriques – c’est ainsi que la plupart des centrales électriques produisent de l’électricité. Et l’énorme changement des champs magnétiques au moment de l’effondrement pourrait produire les champs électromagnétiques intenses d’un FRB.

Pour tester cette théorie, Moroianu et ses collègues ont examiné GW190425, un événement GW détecté le 25 avril 2019 par le Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), la Virgo Collaboration et CHIME. Cet événement n’était que la deuxième fois que des astronomes détectaient des GW causées par l’inspiration de deux étoiles à neutrons non tournantes (BNS). Sur la base des propriétés du signal, l’équipe LIGO a estimé que ces étoiles étaient 1,72 et 1,63 fois plus massives que le Soleil et formaient une “étoile à neutrons supramassive”.

À l’aide des données CHIME publiées pour la première fois deux ans après l’événement, Moroianu a identifié une rafale radio rapide non répétitive (FRB 20190425A), qui s’est produite seulement deux heures et demie après GW190425 et provenait du même endroit dans le ciel. Cependant, confirmer que les deux étaient liés était plutôt difficile puisque l’un des détecteurs de LIGO a détecté l’événement GW (LIGO Livingston). De plus, le télescope spatial Fermi Gamma-ray de la NASA a été bloqué par la Terre à l’époque, ce qui a empêché la détection des rayons gamma (ce qui aurait confirmé que les deux événements étaient liés).

Néanmoins, l’équipe a pu déterminer la distance du FRB en traçant la quantité de gaz qu’il a traversé. Ceci est caractéristique des sursauts radio rapides, où les ondes radio à haute fréquence traversent le milieu interstellaire (ISM) plus rapidement que les ondes de fréquence. “Parce que nous connaissons la densité moyenne de gaz de l’univers, nous pouvons relier cette teneur en gaz à la distance, connue sous le nom de relation de Macquart”, a ajouté James. « Et la distance parcourue par FRB 20190425A correspondait presque parfaitement à la distance jusqu’à GW190425. Bingo !”

Les auteurs reconnaissent que cette coïncidence ne prouve pas que les FRB résultent de fusions d’étoiles à neutrons, mais elle donne du crédit à la théorie selon laquelle les BNS pourraient également être un ancêtre. Malgré les preuves qu’ils fournissent, ils estiment également que les chances que les deux signaux soient causés par le même événement sont d’environ 1 sur 200. Ce qui est nécessaire, à ce stade, est de trouver des exemples supplémentaires d’événements FRB et GW coïncidant. Les chances de détecter de tels événements s’amélioreront considérablement lorsque le détecteur d’ondes gravitationnelles Virgo et Kamioka (KAGRA) récemment mis à jour reviendra en ligne en mai.

Grâce à leur sensibilité améliorée, ces observatoires et leurs homologues LIGO (LIGO Hanford et LIGO Livingston) devraient détecter des milliers d’événements au cours des prochaines décennies. Pendant ce temps, CHIME, le SKA et d’autres détecteurs FRB continuent d’augmenter de façon exponentielle le nombre d’événements FRB enregistrés, fournissant une base de comparaison solide. Cependant, comme l’a indiqué James, nous n’aurons peut-être pas à attendre longtemps avant que davantage de preuves ne soient trouvées :

“L’élément de preuve clé qui confirmerait ou réfuterait notre théorie – un flash optique ou gamma provenant de la direction du sursaut radio rapide – a disparu il y a près de quatre ans. Dans quelques mois, nous aurons peut-être une autre chance de savoir si nous avons raison. Dans quelques mois, nous saurons peut-être si nous avons fait une percée majeure ou si ce n’était qu’un feu de paille.

Lectures complémentaires : la conversation