FRB 121102: No supernova-like ejecta or magnetar power, hinting at a binary WD merger

Les sursauts radio rapides font partie des signaux les plus mystérieux de l'univers. Ce sont des éclats d'ondes radio brefs et intenses qui ne durent qu'un millième de seconde, et pourtant, ils libèrent en cet instant autant d'énergie que le Soleil en une journée entière. Pendant des années, les astronomes tentent de comprendre ce qui crée ces éclats et d'où ils proviennent. Bien que la plupart de ces sursauts ne se produisent qu'une seule fois, un petit nombre d'entre eux se répètent, émettant des éclats de façon répétée depuis le même point du ciel. L'une de ces sources répétitives, connue sous le nom de FRB 121102, a été observée de plus près que toute autre. Elle se situe à l'intérieur d'une galaxie lointaine et minuscule, et elle est entourée d'un nuage persistant et incandescent d'émission radio. Cette lueur constante, qui s'est étendue pendant des décennies, détient la clé pour comprendre l'événement violent qui a créé le sursaut.

Une équipe de chercheurs a maintenant utilisé l'histoire de ce signal pour réécrire l'histoire de son origine. En suivant la manière dont les ondes radio des sursauts changeaient lors de leur passage à travers le nuage environnant, les scientifiques ont pu mesurer la vitesse et la masse du matériau expulsé vers l'extérieur. Leur analyse révèle que le nuage se déplace bien trop lentement pour être le résultat d'une explosion de supernova typique, la mort violente d'une étoile massive qui projette habituellement de la matière vers l'extérieur à des milliers de kilomètres par seconde. Au lieu de cela, les données suggèrent que le nuage a été éjecté doucement, peut-être de la fusion de deux étoiles denses et mortes, bien avant que le moteur qui alimente les sursauts ne s'allume. Cette découverte infirme la théorie la plus populaire pour cet objet et pointe vers un événement cosmique beaucoup plus calme et plus ancien.

L'histoire commence par la nature même du signal. Lorsqu'un sursaut radio rapide voyage à travers l'espace, il traverse des nuages de particules chargées appelés plasma. Ces particules ralentissent légèrement les ondes radio, et l'ampleur de ce ralentissement dépend du nombre de particules que l'onde doit traverser. Les astronomes appellent cette mesure la mesure de dispersion. En observant FRB 121102 sur plusieurs années, les chercheurs ont remarqué que cette mesure n'était pas constante. Elle a augmenté régulièrement pendant un certain temps, puis a commencé à diminuer. Cette montée et cette descente ne sont pas un bruit aléatoire ; c'est un enregistrement direct de l'onde de choc créée par le moteur central poussant à travers le gaz environnant. À mesure que l'onde de choc se déplace vers l'extérieur, elle comprime et ionise le gaz froid, augmentant le nombre de particules que les ondes radio doivent traverser. Une fois que l'onde de choc perce le bord du nuage de gaz, le nuage commence à s'étendre et à s'amincir, ce qui fait chuter le nombre de particules et clarifie le signal.

Les chercheurs ont utilisé ces changements pour calculer les propriétés physiques du nuage. Ils ont découvert que le gaz se déplace à une vitesse de seulement quelques centaines de kilomètres par seconde. C'est un détail crucial. Si le nuage avait été créé par une supernova standard, le gaz serait projeté vers l'extérieur à des vitesses d'environ cinq mille kilomètres par seconde. Le fait que le gaz se déplace si lentement signifie qu'il n'a pas été expulsé par une explosion stellaire massive. De plus, l'énergie totale contenue dans le nuage est bien moindre que ce qu'une supernova produirait. Les scientifiques ont également déterminé que le nuage est assez massif, contenant entre un tiers et trois fois la masse de notre Soleil, mais qu'il est étalé sur une distance vaste, environ trois à dix fois la distance séparant le Soleil de l'étoile la plus proche.

Ces contraintes physiques forcent une remise en question de l'histoire de l'objet. La faible vitesse du gaz implique qu'il a été éjecté bien avant que le moteur central ne commence à fonctionner. Les chercheurs ont calculé que le gaz a probablement été expulsé plus de mille ans avant que les sursauts radio ne commencent. Cela crée une chronologie spécifique : d'abord, une éjection lente de gaz ; ensuite, une longue période de calme ; et enfin, l'allumage du moteur qui alimente les sursauts. Cette séquence ne correspond pas au modèle d'une étoile massive s'effondrant et explosant, ce qui éjecterait du gaz et créerait le moteur en même temps. Cela écarte également l'idée que l'objet central soit une étoile à neutrons hautement magnétisée, ou magnétar, alimentée par son champ magnétique intense. L'énergie requise pour alimenter la lueur radio est trop grande pour qu'un champ magnétique puisse la fournir sur une période aussi longue sans se dissiper.

Au lieu de cela, les données pointent vers une autre histoire d'origine impliquant des naines blanches. Les naines blanches sont les noyaux denses, de la taille de la Terre, laissés après la mort d'étoiles comme notre Soleil. Si deux naines blanches orbitent l'une autour de l'autre et finissent par s'entrechoquer, elles peuvent fusionner en un objet unique et instable. Dans ce scénario, la fusion éjecterait doucement une couche de gaz à des vitesses lentes, créant le nuage que nous voyons aujourd'hui. L'objet fusionné pourrait ensuite rester calme pendant mille ans, se refroidissant et évoluant, avant de s'effondrer en une étoile à neutrons tournant rapidement. Cette nouvelle étoile à neutrons tournerait assez vite pour générer l'énergie puissante nécessaire pour créer les sursauts radio et la lueur persistante. Cette chronologie correspond parfaitement aux observations : le gaz lent a été éjecté en premier, et le moteur a démarré bien plus tard.

Les chercheurs ont également envisagé d'autres possibilités, telles qu'une étoile massive qui n'aurait pas explosé correctement ou un système binaire où une étoile compagne aurait spiralé dans une étoile géante. Bien que ces scénarios puissent théoriquement produire du gaz à mouvement lent, ils peinent à expliquer la chronologie spécifique et l'absence d'hydrogène dans le gaz. Le modèle de la fusion de naines blanches, cependant, produit naturellement une couche de gaz riche en éléments lourds mais pauvre en hydrogène, ce qui concorde avec les indices chimiques trouvés dans les données. L'étude ne prétend pas avoir résolu le mystère de tous les sursauts radio rapides, car beaucoup d'entre eux peuvent avoir des origines différentes. Cependant, pour cet objet spécifique, les preuves suggèrent fortement qu'il s'agit des séquelles d'une fusion lente et ancienne plutôt que d'une explosion récente et violente.

Ce travail démontre comment une simple mesure de retard de signal peut révéler l'histoire profonde d'un objet cosmique. En traitant les ondes radio comme une sonde, les scientifiques ont pu cartographier la vitesse, la masse et l'âge du matériau entourant le sursaut. Ils ont montré que l'univers peut produire des sources d'énergie extrêmes à travers des processus lents et calmes qui se déploient sur des siècles, et pas seulement par la violence spectaculaire des supernovae. Les conclusions suggèrent que les sursauts répétitifs que nous observons sont probablement alimentés par une jeune étoile à neutrons tournant rapidement, qui est née de la fusion de deux étoiles mortes, un scénario qui remet en question la vision traditionnelle de la formation de ces objets énergétiques. Tandis que les astronomes continuent de surveiller cette source et d'autres de ce type, ils pourront tester davantage ces idées, en recherchant les empreintes chimiques spécifiques et les modèles de chronologie que seul ce type d'événement cosmique peut produire.