Depuis 2021, plusieurs sources radio très étendues et de forme circulaire ont été observées sans que l’on comprenne leur origine. Elles ont été nommées des ORC (Odd Radio Circles, cercles radio étranges). Il en existe 6 à ce jour, mais un duo d’astrophysiciens indiens vient de découvrir une nouvelle source radio étrange proche de forme circulaire qui ressemble beaucoup à un ORC… Ils publient leur découverte dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Les deux premiers ORC, qui constituent aujourd’hui une toute nouvelle classe d'objets avec des émissions radio diffuses et lumineuses sur les bords, ont été identifiés en 2021 par Norris et al. Puis un troisième a été observé quelques mois plus tard par la même équipe (Norris, Crawford & Macgregor), suivis la même année par deux autres (Koribalski et al. 2021), et un sixième a été mis en évidence en 2022 par Omar et al.. Ces sources radio très curieuses ont été dénommées très logiquement ORC1, ORC2, etc jusqu’à ORC6. Ces différentes sources diffuses présentent le point commun d’avoir une morphologie en anneau d'environ une minute d'arc de diamètre.
Trois de ces six ORC contiennent une galaxie dans leur centre géométrique visible en optique. La forme du spectre énergétique de l’émission radio des ORC montre un indice spectral négatif, ce qui indique que l'émission radio est non-thermique et provient très probablement du rayonnement synchrotron (le rayonnement des électrons lorsqu’ils sont décélérés dans un champ magnétique).
Parmi les tentatives d’explications du phénomène ORC, on trouve aujourd’hui un peu de tout : des résidus de supernova, des halos d'amas, des lobes terminaux de radiogalaxies, des ondes de choc provenant de la collision de grandes structures, des émissions de résidus sphériques de radiogalaxies énergétiques, ou encore l'effet de la désintégration de particules de matière noire. Bref, le mystère est entier, et passionnant.
Shobha Kumari et Sabyasachi Pal (Mindapore City College) ont exploité le Very Large Array américain et son programme FIRST (Faint Images of Radio Sky at Twenty-cm) à la fréquence de 1400 MHz. Ils ont identifié une source radio, nommée J1507+3013 qui possède une émission radio diffuse étendue autour d'une galaxie elliptique. J1507+3013 possède une morphologie qui est tout à fait similaire à celle des ORC récemment identifiés. Et les chercheurs ont également retrouvé l'émission diffuse étendue de J1507+3013 dans les données du réseau européen Low Frequency Array (LOFAR) à 144 MHz. Alors que la source s’étend sur 44 secondes d’arc dans l’image radio du VLA, ce qui fait 68 kpc (222 000 années-lumière), elle atteint 2,2 minutes d’arc dans celle de LOFAR (soit 183 kpc , ou 600 000 années-lumière) et y est un peu plus circulaire.
Kumari et Pal remarquent que la source J1507+3013 est associée à une galaxie qui se trouve très près du centre géométrique de la structure radio, avec un redshift de z = 0,079 (une distance d’environ 1 milliard d’années-lumière). Mais cette source radio étendue montre des densités de flux significativement plus élevées par rapport aux ORC précédemment découverts. L'indice spectral de J1507+3013 varie entre -0,9 et -1,4 dans différentes régions de la structure diffuse, ce qui est en revanche comparable au cas des ORC précédemment découverts. Kumari et Pal considèrent donc J1507+3013 comme un ORC candidat, qui pourrait donc être nommée ORC7, et il s'agirait alors de l'ORC le plus proche et le plus lumineux découvert à ce jour.
Auparavant, seules trois ORC (ORC1, ORC4 et ORC5) ont été trouvés avec une galaxie près de leur centre géométrique. Si J1507+3013 est un ORC, ce serait le quatrième ORC avec un noyau de type galaxie observable dans le domaine visible. La gamme des décalages vers le rouge pour les ORC précédemment identifiés est comprise entre 0,27 et 0,55 (entre 3,2 et 5,4 milliards d’années-lumière). Avec sa distance de 1 milliard d’sa distance de 1 milliard d’AL, J1507+3013 serait donc de loin la source la plus proche découverte jusqu'à présent dans cette catégorie. Les luminosités radio mesurées pour ORC1, ORC4 et ORC5 sont d’environ 1023 W Hz-1, alors que celle de J1507+3013 est de ∼1024.7 W Hz-1. La masse du trou noir de la galaxie centrale pour ORC5 a par ailleurs été estimée à 750 millions M⊙, alors que pour J1507+3013, Kumari et Pal trouvent une masse de trou noir d’environ 2,8 milliards M⊙. Par conséquent, même avec une similarité de la morphologie et des propriétés spectrales, J1507+3013 serait à la fois plus lumineux et aussi plus massif que les ORC précédemment découverts. Mais les astronomes rappellent qu’aujourd’hui, seuls trois ORC ont été détectés (hormis ce dernier) avec une galaxie centrale et qu’on a donc besoin de plus d'échantillons et d'observations à multi-longueurs d'onde pour comparer le comportement de la galaxie centrale de J1507+3013 avec les ORC.
Outre la solution possible d’un nouvel ORC (dont l’origine reste inconnue), les chercheurs indiens testent différentes hypothèses pour expliquer une telle source radio circulaire étendue. La première est un vestige radio d’une onde de choc géante. Cette hypothèse avait été proposée par Norris et al. en 2021 pour tenter d’expliquer les sources diffuses à symétrie circulaire contenant une ou plusieurs galaxies près du centre géométrique de la structure. Comme dans les résidus de supernovas et les nébuleuses planétaires, des coquilles sphériques nous apparaissent comme des disques brillants sur les bords. Or, une fusion de trous noirs supermassifs au centre d'une galaxie peut produire un choc sphérique comme l’avaient montré Bode et al. en 2012. Dans ce cas, les chercheurs précisent que le champ magnétique dans l'anneau serait largement tangentiel, orthogonal à la vitesse du choc. Et J1507+3013 présente de multiples points chauds (des composantes radio fortes) dans sa structure interne. Selon Kumari et Pal, ces derniers pourraient fournir une preuve de la présence d’une population d'électrons affectée par des pertes d'énergie, et cette population d'électrons pourrait être en train de tourner en rond, entraînée par les champs magnétiques après une forte interaction avec le milieu interstellaire, pouvant expliquer la structure à symétrie circulaire de J1507+3013. D’ailleurs, l’année dernière, Dolag et al. avaient publié une étude de simulations dans laquelle ils ont observé la génération de telles structures d'émission diffuse similaires à J1507+3013. Ils démontraient qu’une émission circulaire diffuse pouvait émerger naturellement à la suite de chocs produits par des événements de fusion galactique extrêmes, qui aboutissent à une galaxie ayant une masse d’environ 10 000 milliards M⊙ ! C’est très très massif pour une seule galaxie, mais cette hypothèse ne peut pas être complètement exclue…
La deuxième hypothèse qu’évoquent Kumari et Pal est celle d’un mini-halo. Les mini-halo sont définis comme des régions d'émission diffuse avec un indice spectral abrupt et une faible luminosité de surface, ils sont surtout présents autour de radio-galaxies puissantes au cœur de certains amas, tels que PKS 0745-191, Virgo ou l'amas du Phoenix. Mais la galaxie centrale de J1507+3013 ne fait partie d’aucun amas, et d’ailleurs, les mini-halo sont très rarement de symétrie sphérique… Hypothèse rejetée.
La troisième hypothèse est celle d’une radiogalaxie fossile. Ce qu’on appelle une radiogalaxie fossile c’est un objet qui présente des émissions radio témoignant d’une activité passée d'un AGN (noyau actif de galaxie). Ces objets présentent souvent des structures radio étendues telles que des lobes ou des jets, qui sont des vestiges de l'activité passée de l’AGN central. L'émission diffuse de J1507+3013 pourrait représenter les restes d'une radiogalaxie fossile. Mais les radiogalaxies fossiles doivent avoir un indice spectral très abrupt (<-1,5). Or, l'indice spectral de J1507+3013 se situe entre -0,9 et -1,4. Kumari et Pal ne retiennent donc pas cette hypothèse.
Enfin, ce qui est sûr également, c’est que la source radio circulaire J1507+3013, étant données ses caractéristiques, ne peut pas non plus être simplement un lobe de radiogalaxie vu de face, qui était une autre possibilité…
En conclusion, Kumari et Pal pensent que la source radio J1507+3013 est lumineuse peut-être parce qu'elle est dans la première phase de son évolution, avant de perdre de l’énergie et de ressembler d’avantage aux autres ORC découverts. Le mécanisme de sa formation est encore loin d’être compris à ce stade. Les chercheurs estiment que d'autres échantillons de telles sources, observés à de multiples longueurs d’ondes, sont nécessaires pour comprendre leur véritable nature et leur origine.
Rendez-vous pour le 8ème ORC !
Source
Discovery of a circularly symmetric extended diffuse radio emission around an elliptical galaxy with the VLA FIRST survey
Shobha Kumari, Sabyasachi Pal
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 527, Issue 4 (February 2024)
https://doi.org/10.1093/mnras/
Illustrations
1. J1507+3013 imagé avec le VLA (Shobha Kumari, Sabyasachi Pal)
2. J1507+3013 imagé avec LOFAR (Shobha Kumari, Sabyasachi Pal)
3. Shobha Kumari
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