Signatures in the local interstellar medium of electromagnetic radiation produced by neutron star gravitational waves

Au plus profond du silence entre les étoiles, bien au-delà de la bulle protectrice de notre Soleil, une paire de sondes spatiales écoute un bourdonnement faible et persistant depuis des décennies. Ce sont les sondes Voyager, les premiers objets fabriqués par l'homme à être entrés dans le véritable milieu interstellaire, le vaste océan de gaz et de poussière qui remplit l'espace entre les étoiles. Depuis le milieu des années 1980, et continuant bien après qu'elles ont franchi la limite connue sous le nom d'héliopause, leurs instruments ont détecté des oscillations de plasma — des ondulations dans le gaz chargé électriquement de l'espace — vibrant à une fréquence d'environ 3 000 cycles par seconde. Pendant quarante ans, les scientifiques ont tenté d'identifier la source de ce bruit cosmique. Bien que certaines théories suggéraient que les ondulations étaient causées par des tempêtes solaires frappant la bordure de notre système solaire, des doutes ont grandi quant à savoir si notre propre Soleil pourrait être responsable de signaux qui persistent longtemps après que l'activité solaire s'est estompée. La question demeure : qu'est-ce qui génère ces ondes constantes et de basse fréquence dans l'obscurité profonde ?

Une nouvelle étude propose une réponse radicale, suggérant que la source ne se trouve pas dans notre système solaire, mais dans la vie violente des étoiles mortes. Les chercheurs, Preston Jones, Pragati Pradhan et Douglas Singleton, explorent un mécanisme théorique où les ondes gravitationnelles émises par les étoiles à neutrons pourraient générer le rayonnement électromagnétique que Voyager entend. Les étoiles à neutrons sont les cœurs incroyablement denses et effondrés d'étoiles massives qui ont explosé. Certaines de ces étoiles tournent des centaines de fois par seconde, et en tournant, elles peuvent envoyer des ondulations dans le tissu de l'espace et du temps connues sous le nom d'ondes gravitationnelles. L'article suggère qu'en voyageant à travers l'espace, ces ondes gravitationnelles peuvent interagir avec le vide lui-même pour produire un rayonnement électromagnétique, un processus que les auteurs appellent « co-production ».

La logique de cette connexion repose sur une chaîne d'événements spécifique impliquant la fréquence. Les étoiles à neutrons tournant le plus rapidement peuvent tourner à environ 700 fois par seconde. Si une telle étoile émet des ondes gravitationnelles, la théorie prédit que ces ondes oscilleraient à deux fois la vitesse de rotation, soit environ 1 400 fois par seconde. La théorie de la co-production suggère ensuite que ces ondes gravitationnelles généreraient, à leur tour, des ondes électromagnétiques à deux fois leur propre fréquence. Cela donne un signal final vibrant à environ 3 000 fois par seconde, ce qui correspond exactement à la fréquence des oscillations de plasma détectées par Voyager. Cet alignement mathématique offre une explication convaincante de la raison pour laquelle les signaux sont à ce pitch spécifique, un détail que les théories précédentes basées sur le Soleil peinaient à expliquer.

Cependant, les auteurs prennent soin de noter qu'il s'agit d'une suggestion basée sur des calculs théoriques, et non d'une découverte confirmée. Ils calculent que pour qu'une étoile à neutrons produise un signal assez fort pour être entendu par Voyager, elle devrait être relativement proche, dans une limite théorique d'environ 150 parsecs (soit environ 490 années-lumière), et extrêmement énergétique. L'article identifie les restes de supernovas connus sous les noms de Cassiopée A et Vela Jr. comme des candidats probables pour produire des ondes gravitationnelles aussi énergétiques, bien qu'il note que le pulsar de Vela lui-même est environ deux fois plus éloigné de la Terre que cette limite estimée, ce qui en fait une source moins probable pour les observations spécifiques de Voyager. Les chercheurs considèrent également comment les signaux pourraient persister pendant des années. Ils proposent que, bien que la salve d'énergie initiale d'un événement d'étoile à neutrons puisse être courte, les ondulations résultantes dans le plasma interstellaire pourraient être soutenues par les propriétés uniques de l'espace entre les étoiles, un peu comme une cloche qui continue de sonner longtemps après avoir été frappée.

L'étude examine également le contexte plus large de ce que Voyager a observé. L'engin spatial a détecté des rayons cosmiques, des particules de haute énergie, arrivant à un taux qui correspond approximativement à la fréquence des « glitches », ou accélérations soudaines, de la rotation des étoiles à neutrons connues. Cette corrélation donne du poids à l'idée que les étoiles à neutrons sont la source de l'activité dont Voyager est témoin. Si les oscillations de plasma sont effectivement le résultat d'ondes gravitationnelles se convertissant en ondes radio, cela signifierait que les sondes Voyager agissent effectivement comme des détecteurs pour un type d'onde gravitationnelle que les observatoires terrestres actuels ne peuvent voir. Les détecteurs existants sont réglés sur des fréquences beaucoup plus basses et manqueraient ces signaux rapides et aigus.

Les auteurs soulignent que la preuve la plus forte de cette théorie serait une détection simultanée d'un signal d'onde gravitationnelle à 1 500 cycles par seconde et de l'oscillation de plasma à 3 000 cycles par seconde. Ils ont examiné les données de l'été 2017, lorsque Voyager a enregistré un événement de rayon cosmique et une oscillation de plasma, et ont noté qu'aucun signal d'onde gravitationnelle n'a été rapporté à ce moment-là. Cependant, l'article précise que cette absence de détection est cohérente avec le fait que la source se situe au-delà des limites de sensibilité actuelles à haute fréquence des détecteurs, plutôt qu'un résultat négatif définitif d'une recherche spécifique dans cette fenêtre. L'article conclut que, bien que les preuves ne soient pas encore définitives, la théorie de la co-production fournit une explication physiquement cohérente et plausible pour un mystère qui perdure depuis des décennies. Elle suggère que le bourdonnement que Voyager entend est l'écho de la rotation d'une étoile mourante, transformé par les lois de la physique en un son capable de voyager à travers la galaxie.