Nous rapportons comment les paraboles de Westerbork (à gauche) ont détecté une brève rafale de radio rapide périodique dans le ciel radio bleu à haute fréquence. Le temps a passé, les étoiles de fond stables se sont transformées en traînées. Ce n’est que bien plus tard que la même source a émis dans le ciel radio rouge à basse fréquence. Le télescope LOFAR (à droite) les a maintenant détectés pour la première fois. Ce comportement chromatique montre que les sursauts ne sont pas périodiquement bloqués par des vents d’étoiles binaires. Crédit : Joeri van Leeuwen
En connectant deux des plus grands radiotélescopes au monde, les astronomes ont découvert qu’un simple vent binaire ne peut finalement pas provoquer la périodicité déroutante d’un Fast Radio Burst. Les sursauts peuvent provenir d’un élément fortement magnétisé, isolé étoile à neutrons. Les détections radio montrent également que les Fast Radio Bursts, certains des événements les plus énergétiques de l’Univers, sont exempts de matériau de protection. Cette transparence augmente encore leur importance pour la cosmologie. Les résultats apparaissent dans le journal La nature.
Couleurs de la radio
L’utilisation de “couleurs radio” a conduit à la percée. En lumière optique, les couleurs sont la façon dont l’œil distingue chaque longueur d’onde. Notre arc-en-ciel passe de la lumière optique bleue à longueur d’onde plus courte à la lumière optique rouge à longueur d’onde plus longue. Mais le rayonnement électromagnétique que l’œil humain ne peut pas voir, parce que la longueur d’onde est trop longue ou trop courte, est tout aussi réel. Les astronomes appellent cela « lumière ultraviolette » ou « lumière radio ». La radio-lumière prolonge l’arc-en-ciel au-delà du bord rouge que nous voyons. L’arc-en-ciel radio lui-même passe également d’une radio à longueur d’onde courte “plus bleue” à une radio à longue longueur d’onde “plus rouge”. Les longueurs d’onde radio sont un million de fois plus longues que les longueurs d’onde du bleu et du rouge optiques, mais fondamentalement ce ne sont que des « couleurs » : des couleurs radio.
Les rafales radio rapides n’avaient jamais été observées à de longues longueurs d’onde radio auparavant, alimentant les théories selon lesquelles elles étaient entourées de brouillards d’électrons denses. Nous rapportons la toute première détection radio à grande longueur d’onde, à l’aide du télescope LOFAR (carrés à droite) ; travaillant en tandem avec les plats Westerbork (à gauche). Nous concluons qu’il n’y a, en fait, pas de brume autour du Fast Radio Burst. Cette vue claire et transparente est importante pour la cosmologie. Crédit : Joeri van Leeuwen
L’équipe d’astronomes a maintenant étudié une rafale radio rapide à deux longueurs d’onde radio – une plus bleue, une beaucoup plus rouge – en même temps. Les rafales radio rapides sont parmi les éclairs les plus brillants du ciel radio, mais elles émettent en dehors de notre vision humaine. Ils ne durent qu’environ 1/1000e d’une seconde. L’énergie requise pour former des salves radio rapides doit être extrêmement élevée. Pourtant, leur nature exacte est inconnue. Certaines rafales radio rapides se répètent, et dans le cas du FRB 20180916B, cette répétition est périodique. Cette périodicité a conduit à une série de modèles dans lesquels les Fast Radio Bursts proviennent d’une paire d’étoiles en orbite l’une autour de l’autre. L’orbite binaire et le vent stellaire créent alors la périodicité. “Les vents stellaires forts du compagnon de la source Fast Radio Burst devaient laisser la plupart des lumières radio bleues à courte longueur d’onde s’échapper du système. Mais la radio à grande longueur d’onde la plus rouge devrait être bloquée davantage, voire complètement », explique Inés Pastor-Marazuela (Université d’Amsterdam et ASTRON), la première auteure de la publication.
Combiner Westerbork et LOFAR
Pour tester ce modèle, l’équipe d’astronomes a combiné le LOFAR et les télescopes Westerbork renouvelés. Ils ont ainsi pu étudier simultanément FRB 20180916B à deux couleurs radio. Westerbork a examiné la longueur d’onde la plus bleue de 21 centimètres, LOFAR a observé la longueur d’onde beaucoup plus rouge de 3 mètres. Les deux télescopes ont enregistré des films radio avec des milliers d’images par seconde. Un supercalculateur d’apprentissage automatique très rapide a rapidement détecté les rafales. « Une fois que nous avons analysé les données et comparé les deux couleurs radio, nous avons été très surpris », explique Pastor-Marazuela. « Les modèles de vent binaire existants prédisaient que les sursauts ne devraient briller qu’en bleu, ou du moins y durer beaucoup plus longtemps. Mais nous avons vu 2 jours de sursauts radio plus bleus, suivis de 3 jours de sursauts radio plus rouges. Nous écartons maintenant les modèles originaux – il doit se passer autre chose. »
Les détections Fast Radio Burst ont été les premières jamais réalisées avec LOFAR. Aucun n’avait été vu à des longueurs d’onde supérieures à 1 mètre, jusque-là. Le Dr Yogesh Maan d’ASTRON a d’abord posé les yeux sur les sursauts LOFAR : « C’était passionnant de découvrir que Fast Radio Burst brillait sur de si longues longueurs d’onde. Après avoir parcouru d’immenses quantités de données, j’ai eu du mal à y croire au début, même si la détection était convaincante. Bientôt, encore plus d’éclats sont arrivés. Cette découverte est importante car elle signifie que l’émission radio plus rouge et à grande longueur d’onde peut s’échapper de l’environnement autour de la source du Fast Radio Burst. « Le fait que certains Fast Radio Bursts vivent dans des environnements propres, relativement peu obscurcis par un brouillard d’électrons dense dans la galaxie hôte, est très excitant », déclare le co-auteur, le Dr Liam Connor (U. Amsterdam/ASTRON). “De telles rafales radio rapides nues nous permettront de traquer la matière baryonique insaisissable qui reste introuvable dans l’Univers.”
Magnétars
Le télescope LOFAR et le système Apertif sur Westerbork sont chacun formidables en soi, mais les percées ont été rendues possibles parce que l’équipe a directement connecté les deux, comme s’ils ne faisaient qu’un. “Nous avons construit un système d’apprentissage automatique en temps réel sur Westerbork qui alertait LOFAR chaque fois qu’une rafale arrivait”, explique le chercheur principal, le Dr Joeri van Leeuwen (ASTRON / U. Amsterdam), “Mais aucune rafale LOFAR simultanée n’a été observée. Tout d’abord, nous pensions qu’une brume autour des rafales radio rapides bloquait toutes les rafales plus rouges – mais étonnamment, une fois les rafales plus bleues arrêtées, des rafales plus rouges sont finalement apparues. C’est à ce moment-là que nous avons réalisé que les modèles de vent binaires simples étaient exclus. Les rafales radio rapides sont nues et pourraient être fabriquées par des magnétars. »
De tels magnétars sont des étoiles à neutrons, d’une densité beaucoup plus élevée que le plomb, qui sont également hautement magnétiques. Leurs champs magnétiques sont plusieurs fois plus puissants que l’aimant le plus puissant de n’importe quel laboratoire terrestre. « Un magnétar isolé à rotation lente explique le mieux le comportement que nous avons découvert », explique Pastor-Marazuela. “Cela ressemble beaucoup à être un détective – nos observations ont considérablement réduit les modèles Fast Radio Burst qui peuvent fonctionner.”
Référence : « Activité périodique chromatique jusqu’à 120 mégahertz dans un sursaut radio rapide » par Inés Pastor-Marazuela, Liam Connor, Joeri van Leeuwen, Yogesh Maan, Sander ter Veen, Anna Bilous, Leon Oostrum, Emily Petroff, Samayra Straal, Dany Vohl , Jisk Attema, Oliver M. Boersma, Eric Kooistra, Daniel van der Schuur, Alessio Sclocco, Roy Smits, Elizabeth AK Adams, Björn Adebahr, WJG de Blok, Arthur HWM Coolen, Sieds Damstra, Helga Dénes, Kelley M. Hess, Thijs van der Hulst, Boudewijn Hut, V. Marianna Ivashina, Alexander Kutkin, G. Marcel Loose, Danielle M. Lucero, Ágnes Mika, Vanessa A. Moss, Henk Mulder, Menno J. Norden, Tom Oosterloo, Emanuela Orrú, Mark Ruiter et Stefan J. Wijnholds, le 25 août 2021, La nature.
DOI : 10.1038 / s41586-021-03724-8
