Discovery of an Extremely Luminous Sporadic Radio Pulsar

Au plus profond du silence froid et sombre de l'espace, il existe des étoiles mortes qui parlent encore. Ce sont des étoiles à neutrons, les vestiges incroyablement denses de la taille d'une ville laissés derrière elles lorsque des étoiles massives explosent. La plupart d'entre elles tournent rapidement, projetant des ondes radio dans l'univers comme des phares. Lorsque ces faisceaux balaient la Terre, nous détectons une impulsion régulière, ce qui leur vaut le nom de pulsars. Pendant des décennies, les astronomes ont cartographié des milliers de ces horloges cosmiques, les utilisant pour tester les lois de la physique et mesurer le tissu de l'espace-temps. Cependant, toutes les étoiles à neutrons ne sont pas des balises constantes. Certaines sont erratiques, scintillant par intermittence de manière imprévisible, ou cachant totalement leurs signaux pendant de longues périodes. On les appelle des transitoires radio rotatifs, ou RRAT. Elles sont difficiles à trouver car elles ne brillent pas avec un rythme constant ; au lieu de cela, elles murmurent dans des éclats sporadiques et aléatoires qui sont facilement manqués par les télescopes cherchant des motifs réguliers. Comprendre ces objets insaisissables est crucial car ils pourraient détenir la clé d'un autre type de mystère cosmique : les sursauts radio rapides. Il s'agit de puissants éclats d'énergie radio de quelques millisecondes provenant de galaxies lointaines, et bien que leur origine demeure l'un des plus grands casse-têtes de l'astronomie, de nombreux scientifiques soupçonnent qu'ils sont liés au comportement de ces étoiles à neutrons erratiques.

Une équipe d'astronomes utilisant l'expérience canadienne de cartographie de l'intensité de l'hydrogène (CHIME), un immense radiotélescope situé en Colombie-Britannique, a découvert l'exemple le plus lumineux de telle étoile erratique jamais enregistré. Ils ont trouvé une étoile à neutrons, nommée PSR J2108+5055, qui se situe à environ 1 600 années-lumière dans notre propre galaxie, la Voie lactée. Cette étoile est une véritable exception. Alors que la plupart des pulsars émettent un flux constant d'ondes radio, celle-ci est un changeur de mode sporadique, ce qui signifie qu'elle alterne entre un état calme où elle est presque silencieuse et un état brillant où elle déclenche de puissantes impulsions. Les chercheurs ont détecté plus de deux mille de ces impulsions sur plusieurs années, mais le comportement de l'étoile est si irrégulier qu'elle était invisible pour les relevés précédents qui cherchaient des signaux constants. La découverte la plus frappante est la puissance pure de ses éclats les plus brillants. L'équipe a mesuré une seule impulsion avec une brillance de crête de 3,1 kilojanskys, une unité d'intensité radio. Pour donner un ordre de grandeur, si vous placiez cette étoile à la limite de notre Groupe local de galaxies, un immense télescope en Chine appelé FAST serait encore capable de détecter son éclat le plus brillant. Cela fait de PSR J2108+5055 le transitoire radio rotatif le plus brillant connu, surpassant tous les autres de son genre par une marge significative.

La découverte n'a pas été simple. Le télescope utilisé, CHIME, est conçu pour scanner une large portion du ciel à mesure que la Terre tourne, mais il ne suit pas les objets individuels comme un télescope traditionnel. Cela signifie que les données sont complexes, et les impulsions de l'étoile ont souvent été captées dans les « lobes secondaires » de la vue du télescope, qui sont des zones moins sensibles sur le bord de son champ de vision. Les chercheurs ont dû développer de nouvelles méthodes pour calibrer ces signaux et confirmer que les impulsions provenaient bien d'une source unique et rotative. Ils ont découvert que l'étoile tourne une fois toutes les 0,495 secondes et possède un champ magnétique puissant, mais qu'elle passe la majeure partie de son temps dans un mode de « nullité », où elle n'émet presque rien. Lorsqu'elle se réveille, elle bascule entre deux modes de brillance distincts. Un mode est faible, tandis que l'autre est incroyablement brillant, les impulsions brillantes étant environ vingt fois plus fortes que les faibles. L'équipe a également remarqué que les impulsions de l'étoile arrivent à des moments légèrement différents selon le mode dans lequel elle se trouve, un indice subtil qui les a aidés à déverrouiller le véritable rythme de l'étoile.

Ce qui rend cette découverte si importante est ce qu'elle suggère sur la population d'étoiles à neutrons dans notre galaxie. Les relevés précédents, qui cherchaient des signaux constants ou des éclats courts, ont probablement manqué cette étoile entièrement car elle ne se comporte pas comme un pulsar typique. Les chercheurs ont utilisé un modèle simple pour estimer combien d'autres étoiles comme celle-ci pourraient se cacher dans le ciel. Ils ont conclu qu'il pourrait y avoir des dizaines, peut-être même autour de quatre-vingts, de ces sources extrêmement brillantes mais sporadiques qui sont passées inaperçues à cause des méthodes traditionnelles. Cela implique que l'univers est rempli de plus de ces géants « cachés » que nous ne le pensions auparavant, et que nous avons besoin de nouveaux relevés de longue durée pour les trouver. L'étude place également cette étoile dans le contexte des sursauts radio rapides. Bien que les impulsions de PSR J2108+5055 soient incroyablement brillantes pour un pulsar, elles sont encore bien trop faibles pour être les sursauts radio rapides observés provenant d'autres galaxies. Cependant, le fait qu'une étoile à neutrons dans notre propre voisinage puisse produire des éclats millisecondes aussi intenses montre que la machinerie à l'intérieur de ces étoiles est capable de générer de l'énergie à une échelle qui comble le fossé entre les pulsars ordinaires et les mystérieux sursauts radio rapides.

Les chercheurs ont également recherché cette étoile dans d'autres parties du spectre, telles que les rayons X et la lumière visible, mais n'ont rien trouvé. Cela confirme que l'étoile est un émetteur radio pur, sans contrepartie visible ou lueur intense en rayons X, ce qui est typique pour ce type d'objet. En mesurant la rotation de l'étoile et son ralentissement au fil du temps, ils ont calculé qu'elle est âgée d'environ 12 millions d'années et possède un champ magnétique de surface des milliards de fois plus fort que celui de la Terre. L'énergie qu'elle perd en tournant est convertie en ondes radio avec une efficacité étonnamment élevée lors des brefs moments où elle est active. Cette découverte ne résout pas le mystère des sursauts radio rapides, mais elle élargit notre compréhension de ce dont les étoiles à neutrons sont capables. Elle montre que même au sein de notre propre galaxie, il existe des objets extrêmes qui défient nos attentes, brillant intensément pendant un instant avant de disparaître à nouveau dans l'obscurité. À mesure que de nouveaux télescopes seront mis en service et que les relevés deviendront plus sensibles, les astronomes s'attendent à trouver davantage de ces transitoires évasifs et de haute puissance, révélant une population cachée d'étoiles qui ne parlent que par murmures.