Les sursauts radio rapides sont l’une des plus grandes énigmes de l’astronomie. Un radiotélescope canadien est en train de changer la donne : il en a déjà détecté des centaines et sa carrière ne fait que débuter.
À première vue, CHIME ressemble plus à un skatepark géant qu’à un instrument de pointe. C’est pourtant ce nouveau radiotélescope, construit dans la vallée de l’Okanagan, en Colombie-Britannique, qui a convaincu pour de bon les astrophysiciens de l’existence des « sursauts radio rapides », ces bouffées d’ondes radio venues des confins de l’Univers.
Le phénomène qui produit ces rayonnements − et dont on ignore tout − libère autant d’énergie en quelques millièmes de seconde que le Soleil pendant 100 à 1 000 jours ! De quoi défier la théorie, au point que certains astronomes ont d’abord pensé qu’il s’agissait d’hallucinations enregistrées à tort par les radiotélescopes.
Depuis son inauguration en 2017, CHIME a changé la donne en détectant à la pelle ces soubresauts qui n’ont décidément rien d’illusoire. Ce n’était pourtant pas sa mission initiale, dit l’astrophysicienne-vedette de l’Université McGill Victoria Kaspi, qui s’est jointe à l’équipe du radiotélescope sur le tard. « CHIME a été conçu pour la cosmologie, pour étudier l’expansion de l’Univers. Comme il a un champ de vision large, il peut cartographier le ciel très efficacement. Ce qui s’est révélé vraiment utile pour les sursauts radio ! » raconte la chercheuse, s’excusant presque d’avoir bouleversé l’ordre des priorités. L’expérience de cosmologie se poursuit (voir l’encadré plus bas), mais les sursauts l’ont un peu reléguée dans l’ombre. Victoria Kaspi a ainsi propulsé CHIME − et le Canada − à l’avant-plan d’une des quêtes les plus excitantes de l’astronomie actuelle. « On est en train de constituer un catalogue qui recense quelques centaines de sursauts radio rapides. Mais on a des surprises sans arrêt, ce qui nous retarde ! » s’amuse-t-elle.
Car plus on décèle de signaux, plus leur diversité se dévoile et plus le mystère s’épaissit… D’où viennent-ils ? Quels types d’objets ou d’environnements cosmiques peuvent causer des « rafales » d’une telle force ? Pourquoi n’ont-ils pas tous le même profil ? « Toutes ces questions, on se les pose encore », lance d’emblée Victoria Kaspi, dont les travaux sur le sujet lui ont valu de figurer sur la liste dressée par la revue Nature en 2019 des 10 personnes qui ont joué un rôle important en science.
Hasard et doutes
Pour saisir l’ampleur de l’énigme, revenons au début de l’histoire. En 2007, l’astronome de l’Université de Virginie-Occidentale Duncan Lorimer et son étudiant David Narkevic passent en revue les données d’archives du radiotélescope australien Parkes à la recherche de pulsars. Ces étoiles très denses qui tournent sur elles-mêmes émettent un faisceau périodique d’ondes radio à la manière d’un phare éclairant la nuit. Soudain, David Narkevic tombe sur un pic étrange : une sorte de « flash » de 15 millisecondes, isolé, provenant d’une source infiniment lointaine, ce qui élimine un éventuel pulsar, indétectable à cette distance… Nommé « sursaut Lorimer », ce signal est des milliards de fois plus intense que celui d’un pulsar. Et il laisse la communauté scientifique perplexe.
Il faut attendre cinq ans pour qu’une impulsion similaire soit de nouveau enregistrée par le radiotélescope Parkes et son antenne de 64 m de diamètre. Puis, en 2013, quatre nouveaux sursauts radio rapides, ou FRB pour fast radio bursts, s’ajoutent à la liste.
On ne connaît pas leur origine, mais certaines choses sont claires : les sources sont extragalactiques, à des milliards d’années-lumière de nous, et d’une puissance inouïe. « Le signal est si bref qu’il émane forcément d’un objet très dense, qui ne fait pas plus de 300 km de diamètre. Si l’objet était plus gros, il ne pourrait pas émettre un flash si court à l’unisson, car les ondes prendraient trop de temps pour voyager d’un bord à l’autre de l’astre », explique Victoria Kaspi.
Les chercheurs supposent donc que ces signaux proviennent de phénomènes cataclysmiques, comme l’effondrement d’une étoile supermassive, une supernova ou la collision d’étoiles à neutrons, se soldant par la destruction de la source. Au total, une cinquantaine de théories sont proposées ! Certaines équipes − sérieuses, précisons-le − examinent même la possibilité que ces messages soient l’œuvre d’une civilisation extraterrestre.
Lentement, le répertoire s’étoffe grâce à la contribution de plusieurs observatoires radioastronomiques comme ceux d’Arecibo à Porto Rico et de Green Bank aux États-Unis ou l’ASKAP, un réseau de 36 antennes paraboliques mis en service en Australie en 2012.
Mais en 2016, coup de théâtre : un étudiant de Victoria Kaspi, Paul Scholz, découvre en fouillant dans les données d’Arecibo un sursaut identique à l’un de ceux déjà répertoriés et venant de la même région. Puis il en trouve une dizaine d’autres. C’est une évidence : la même source émet des flashs radio à répétition. « Le phénomène allait à l’encontre de la définition qu’on avait donnée des FRB ! Cela signifiait que l’objet produisant ces rayonnements n’avait pas été détruit par le processus », raconte Daniele Michilli, qui travaillait alors aux Pays-Bas et qui s’est joint depuis à l’équipe de l’Université McGill. La publication de ce travail dans la revue Nature renvoie les scientifiques à leurs tables à dessin. Des « choses » ultrapuissantes sont capables d’émettre ces impulsions de façon récurrente… Mais quoi donc ?
Et CHIME est arrivé
Alors que les données s’accumulent dans les années 2010, il y a toutefois quelques déconvenues qui amènent certains experts à douter de l’existence même du phénomène. Ainsi, l’équipe du radiotélescope Parkes se rend compte que certains des sursauts ont en fait été produits par un four à micro-ondes situé dans l’observatoire dont la porte a été ouverte avant l’arrêt de l’appareil…
L’erreur paraît grossière, mais elle met en lumière la difficulté que représente la détection de ces flashs improbables, dont les fréquences sont analogues à celles utilisées pour les télécommunications… et le réchauffage des aliments ! « Les interférences avec les signaux terrestres nous compliquent énormément la tâche. Ensuite, les FRB viennent de partout et l’on ne peut pas les anticiper. Or, les radiotélescopes comme Arecibo ou l’ASKAP pointent leurs antennes vers une petite région du ciel. Les chances qu’un sursaut provienne exactement de cette région au bon moment sont minces, précise Victoria Kaspi. La seule façon d’étudier ce type d’évènement à large échelle était d’avoir un grand champ de vision. »
Autant dire que CHIME, imaginé par des chercheurs des universités McGill, de la Colombie-Britannique, de Toronto et du Conseil national de recherches du Canada, tombait à pic. Niché dans une vallée aride, il n’a rien du télescope habituel. Il n’arbore ni coupole ni miroirs, mais plutôt quatre larges demi-cylindres grillagés d’une centaine de mètres de long. « Il n’y a aucune pièce mobile, les réflecteurs sont juste plantés là. Toute la complexité de l’installation réside dans son cerveau informatique », signale Victoria Kaspi.
Au pied de la structure, des conteneurs renferment 256 ordinateurs qui fonctionnent comme un seul supercalculateur. Des algorithmes d’intelligence artificielle contribuent à repérer les signaux radio, qui sont convertis numériquement à une cadence de 13 térabits par seconde − un débit comparable à celui de l’ensemble des données circulant sur les appareils mobiles du monde entier. Le tout est analysé en temps réel et combiné pour reconstituer la carte du ciel. Chaque jour, grâce à la rotation terrestre, CHIME, qui fonctionne à plein régime depuis le début de l’année 2019, balaie la totalité de la voûte céleste de l’hémisphère Nord.
Le radiotélescope ASKAP est situé en Australie-Occidentale. Image: CSIRO
Et ses prouesses surpassent les attentes ! En trois ans, CHIME a déjà détecté plus de 1 000 FRB, alors que ses cinq concurrents en avaient repéré péniblement une cinquantaine au total. Il a aussi révélé quelques surprises de taille, à commencer par d’autres FRB répétitifs, portant la totalité à une vingtaine. La plupart semblent survenir de façon aléatoire pour émettre un unique « hoquet ». Mais en février 2020, dans un article prépublié sur arXiv, l’équipe de CHIME a dévoilé l’existence d’une source de FRB suivant un cycle de 16,35 jours, réglée comme un métronome. De nombreux flashs jaillissent plus ou moins régulièrement pendant 4 jours, puis c’est le silence pendant 12 jours. « On comprend très mal ce qui se passe. Si les sursauts étaient émis par une étoile en rotation, on aurait un pic mais pas de longues phases d’activité. Et puis les étoiles en rotation tournent normalement beaucoup plus vite », commente Emily Petroff, une spécialiste du sujet qui a travaillé au radiotélescope Parkes (et sur son fameux four à micro-ondes). À l’Université d’Amsterdam, où elle se trouve actuellement, la jeune chercheuse s’intéresse à ce signal régulier qui a le mérite d’être observable facilement.
Elle souligne l’autre coup de maître de CHIME, qui a fait vibrer la communauté scientifique l’été dernier : la détection d’un signal radio inhabituel dans la Voie lactée. Oui, dans notre galaxie ! Certes, il n’était pas aussi puissant que les FRB typiques, « sinon, il aurait grillé nos télescopes ! » dit en riant Emily Petroff. Mais il était tout de même « extrêmement intense », 1 000 fois plus que tout ce qui a été mesuré proche de nous. Et en dépit de son relatif manque de force, il avait toutes les caractéristiques d’un sursaut rapide.
Or, et c’est là que ça devient excitant, les chercheurs ont pu retracer l’objet à l’origine de ce jet d’ondes radio grâce au télescope spatial Integral, de l’Agence spatiale européenne. « Il s’agit d’un vieux magnétar déjà connu, nommé SGR 1935. C’était vraiment une surprise, c’est une découverte majeure », indique l’auteur principal de l’étude publiée fin juillet, Sandro Mereghetti, de l’Institut national d’astrophysique de Milan.
Comme les pulsars, les magnétars sont des restants d’étoiles mortes très denses (des étoiles à neutrons) qui ont la particularité d’être dotés d’un champ magnétique parmi les plus intenses de l’Univers. « Lorsqu’ils tournent sur eux-mêmes, leur champ magnétique ne suit pas la cadence, il est distordu et émet beaucoup d’énergie quand il claque comme un élastique pour revenir en place, explique Emily Petroff. Les étoiles à neutrons en général font partie des hypothèses favorites pour expliquer les FRB et les magnétars pourraient être un sous-groupe intéressant. Ces objets, seuls ou placés dans des environnements extrêmes comme en orbite autour d’un trou noir, pourraient produire des choses follement énergétiques. »
Ce FRB « miniature » livrera-t-il enfin le secret de ses comparses plus violents ? « C’est la toute première observation claire du lien entre les magnétars et les sursauts radio rapides, assure Sandro Mereghetti. Ce magnétar-là est vieux, mais on pense que les très jeunes magnétars tournent beaucoup plus vite et ont un champ magnétique plus fort, qui pourrait engendrer des signaux de plus grande puissance. Cela ne résout pas tout, car d’autres modèles de FRB fonctionnent aussi, mais c’est un élément de preuve assez solide en faveur de cette idée », avance-t-il prudemment. Victoria Kaspi se garde elle aussi de sauter aux conclusions. « Pour expliquer les sursauts répétés, dont certains surviennent plusieurs fois par heure, il faudrait des magnétars beaucoup plus puissants mais aussi plus actifs. C’est possible, mais cela reste très mystérieux. »
En l’espace d’une milliseconde, ce signal inespéré a donc relancé les paris. « Il est probable que les FRB soient émis par différents types de sources et qu’ils ne puissent pas tous être expliqués par la même théorie. On a donc besoin de plus d’observations », note Daniele Michilli, qui n’exclut pas la possibilité que des objets exotiques, inconnus, soient eux aussi en cause dans ces feux d’artifice radio.
En février 2020, l’équipe de CHIME a dévoilé l’existence d’une source de FRB suivant un cycle de 16,35 jours, réglée comme un métronome.
Le radiotélescope ASKAP a pu localiser avec précision la source de certains FRB. D’autres observatoires comme le Keck, le VLT, et le Gemini Sud peuvent ensuite scruter la galaxie hôte. Image: Andrew Howells/ CSIRO
Localiser les sources
Si le radiotélescope canadien a déjà bien défriché le terrain, il n’a pas encore réglé tous les problèmes. « Il manque un élément : nous avons beaucoup de difficulté à établir précisément la provenance des FRB, et CHIME n’a pas cette capacité », mentionne Emily Petroff. Or, trouver le lieu d’origine des sursauts est crucial, par exemple pour savoir si certains phénomènes comme les quasars − ces noyaux de galaxie très actifs − pourraient jouer un rôle dans leur émission.
Pour estimer la distance de la source, les astronomes utilisent présentement une propriété unique des ondes radio : le fait qu’elles ralentissent lorsqu’elles traversent le plasma dans le milieu interstellaire. « La bouffée émise au début se compose d’ondes radio de différentes longueurs d’onde. Après leur voyage, celles qui ont les plus hautes fréquences arrivent en premier sur Terre, suivies des basses fréquences, qui sont davantage ralenties. Le signal est donc “étalé” et il nous permet d’estimer la quantité d’électrons libres que les ondes ont rencontrés en chemin et donc la distance qu’elles ont parcourue », dit Victoria Kaspi.
Cette « dispersion », qui a permis de déterminer la provenance extragalactique des premiers signaux, donne une idée assez juste de leur point de départ, mais ne permet pas de pointer avec précision la galaxie source. À ce jour, en croisant les données de plusieurs radiotélescopes, les chercheurs ont réussi à localiser la galaxie d’origine d’une dizaine de FRB seulement, dont celles de deux des FRB qui se répètent. Manque de chance, ces derniers viennent de galaxies complètement différentes, une naine et une spirale massive. Là encore, aucune règle ne saute aux yeux !
La bonne nouvelle, c’est que l’équipe de CHIME a plus d’un tour dans son sac. Elle va bâtir prochainement des copies réduites du radiotélescope (une à 100 km du premier en Colombie-Britannique, une en Virginie-Occidentale et peut-être une troisième en Ontario), qui permettront de remonter à la source des sursauts par « triangulation ». « C’est vraiment tout un champ de recherche qui s’ouvre », se réjouit Emily Petroff, Américaine d’origine qui aimerait poursuivre sa carrière au Canada.
Repérer les galaxies hôtes permettra-t-il de savoir si des extraterrestres tentent désespérément de nous envoyer un message ? « On estime qu’il y a des milliers de FRB émis dans le ciel chaque jour, mais ils sont rares dans chaque galaxie. Cela me semble donc assez improbable que toutes les intelligences extraterrestres de l’Univers partagent cette tendance à produire des FRB, résume Wael Farah, astrophysicien à l’Institut SETI, spécialisé dans la recherche d’intelligence extraterrestre. Mais cette idée doit tout de même être prise au sérieux, ne serait-ce que parce que les humains, en travaillant fort, seraient capables avec les technologies actuelles de créer des faisceaux radio suffisamment puissants pour atteindre d’autres galaxies. »
On vous l’avait bien dit : le voile est loin d’être levé et rien n’interdit de rêver aux théories les plus folles.
On a enfin trouvé la matière manquante !
Qu’importe s’ils sont énigmatiques, les sursauts radio rapides ont déjà prouvé leur utilité ! Les astrophysiciens s’en servent comme des outils pour sonder l’Univers. En mai dernier, ces hoquets cosmiques ont même contribué à résoudre un problème de taille : celui de la matière baryonique manquante.
On ne parle pas ici de la matière noire, qui reste indétectable, mais bien de la matière « normale », celle qui compose les étoiles, les galaxies, les planètes et les humains. Cette matière, dite baryonique, ne constitue que 5 % de l’Univers, selon les modèles en vigueur. Le hic, c’est que, lorsqu’on essaie de la « mesurer », en estimant la masse des galaxies entre autres, on n’en trouve en gros que la moitié. Autrement dit, on ne voit que 2,5 % de l’Univers… « Je pense que les sursauts radio rapides ont définitivement réglé le problème », annonce fièrement Xavier Prochaska, astrophysicien à l’Université de Californie à Santa Cruz.
Dans une étude parue mi-2020 dans Nature, il a analysé avec ses collègues quatre sursauts radio rapides provenant de galaxies localisées à l’aide du radiotélescope ASKAP et situées à des distances très différentes (de 1,5 à 5,25 milliards d’années-lumière). Puisque certaines longueurs d’ondes radio sont davantage freinées par les électrons libres qu’elles rencontrent, les chercheurs ont pu évaluer la quantité de matière traversée par lesdits sursauts en décortiquant l’allure du signal lorsqu’il arrive sur Terre. « Ce qu’on calcule correspond exactement à ce que prédit la théorie », déclare le chercheur. Autrement dit, le compte est bon !
Où se cachait cette matière ? Dans le « milieu intergalactique chaud », un gaz extrêmement diffus qui ne peut pas être détecté par les instruments classiques. Et pour cause : dans l’immensité intergalactique, la matière « manquante » est si dispersée que cela équivaudrait sur Terre à une densité de un ou deux atomes dans une pièce de la taille d’un bureau moyen.
