Localisation très précise du sursaut radio rapide (FRB) le plus brillant

FRB 20250316A est à ce jour le sursaut radio rapide le plus brillant jamais détecté. Il se trouvait dans la galaxie NGC 4141 située à une distance de seulement 40 Mpc. Grâce à sa proximité et son intensité, la collaboration canadienne CHIME qui traque les FRB (Fast Radio Burst) depuis de nombreuses années, est parvenue à le localiser avec une précision de seulement 13 pc, et a donc pu étudier en détail l'environnement de cet événement pour tenter de comprendre la nature de son progéniteur. L'étude est parue dans The Astrophysical Journal Letters.

La localisation précise d'un petit nombre de sursauts radio rapides répétitifs par interférométrie à très longue base (VLBI) a permis des observations de suivi à multi-longueurs d'onde révélant divers environnements locaux. Mais les FRB répétitifs ne représentent que 2 à 3 % des sources de FRB observées (environ 100 sur un total d'environ 4 000 FRB) et ils pourraient ne pas être représentatifs de l'ensemble de la population. 

FRB 20250316A fait partie des FRB uniques, qui n'ont encore jamais montré de nouveau sursaut. Mais même sans sursauts radio supplémentaires, les radioastronomes de CHIME ont réussi à le localiser comme jamais auparavant, en exploitant les capacités VLBI du réseau CHIME Outrigger complet.

Les chercheurs ont ensuite utilisé des observations optiques et radio pour imposer des contraintes précises sur l'émission transitoire associée et les propriétés de son environnement local. Ils peuvent fixer une limite sur l'émission radio spatialement coïncidente, qui s'avère être 100 fois inférieure à toute source radio persistante compacte connue associée à un FRB.

Les études environnementales offrent une approche très importante pour déterminer si les FRB uniques et les FRB répétitifs proviennent de populations progénitrices distinctes ou non. Par exemple, des études à haute résolution des FRB répétitifs 20121102A et 20201124A révèlent qu'ils sont intégrés dans des régions de formation stellaire active, conformément aux modèles qui attribuent l'émission à une source jeune, comme un magnétar. Cela concorde avec les études sur la démographie de leur galaxie hôte, qui montrent que les FRB apparaissent principalement dans les galaxies à formation d'étoiles.

De plus, il a été montré qu'une fraction substantielle se trouve dans ou à proximité des bras spiraux de leur galaxie. Mais le nombre croissant de FRB localisés dans des environnements sans formation d'étoiles active suggère que certains peuvent être formés par des canaux retardés. Par exemple, FRB 20180916B, le répéteur qui présente des phases actives périodiques, est situé légèrement décalé de 250 ± 190 pc de la zone de formation d'étoiles la plus proche. Et le FRB répétitif 20240209A a lui été localisé à la périphérie d'une galaxie quiescente avec un âge de population stellaire d'environ 11 Gigannées. FRB 20200120E, le FRB extragalactique le plus proche connu (d= 3,6 Mpc), a été localisé dans un amas globulaire vieux d'environ 9,2 Gigannées, dans le halo de M81 (M. Bhardwaj et al. 2021 ; F. Kirsten et al. 2022 ).

FRB 20200120E, comme FRB 20240114A, qui est situé dans une galaxie satellite d'un système galactique plus grand (M. Bhardwaj et al. 2025 ), démontrent que les propriétés de l'environnement local d'un FRB ne sont pas nécessairement corrélées avec les propriétés de la galaxie voisine la plus massive. La précision de la localisation des FRB, qu'ils soient répétitifs ou uniques est donc cruciale pour mieux comprendre de quoi il peut s'agir.

Le 16 mars 2025, peu après la mise en service de la dernière station Outrigger, CHIME/FRB a détecté son FRB extragalactique au rapport signal/bruit le plus élevé jamais enregistré : FRB 20250316A. Ce sursaut n'était exceptionnel que par la proximité de sa source, représentant une luminosité FRB moyenne. Comme la source est proche et que les chercheurs canadiens ont capturé des données depuis les quatre sites de télescopes, il ont pu le localiser très précisément, à 68 ms d'arc, ce qui représente une distance projeté de 13 pc seulement (42,4 A.L). Rappelons que la galaxie hôte de ce FRB se situe à 40 Mpc. 

C'est donc l'une des meilleures opportunités d'étudier l'environnement local d'un FRB unique. Connaissant la localisation, les astrophysiciens ont alors utilisé l'imageur Keck Cosmic Webb pour caractériser la densité du gaz, la métallicité, la nature de l'ionisation du gaz, l'extinction des poussières et le taux de formation d'étoiles grâce aux flux de raies d'émission. 

Ils ont également exploité la luminosité et la proximité exceptionnelles de cette source pour imposer des contraintes profondes à la répétition de FRB 20250316A. Ils constatent qu'il est incompatible avec tous les répéteurs bien étudiés, compte tenu de la non-détection des sursauts à des énergies spectrales plus basses. Les chercheurs de CHIME s' attendent à ce que cette source demeure la limite observationnelle de certitude quant au caractère non répétitif d'une source, compte tenu de la rareté des détections à un telle niveau au-dessus du seuil de fluence de CHIME/FRB. Selon eux, s'il existe une population distincte de FRB non répétitifs, compte tenu de cette tension apparente avec la population de répéteurs connus, leur étude de FRB 20250316A offrirait un aperçu unique de l'environnement local d'une telle source non répétitive.

Des observations rapides de suivi avec les télescopes optiques MMT et Gemini ont ensuite permis d'exclure une émission transitoire supérieure à M ≈ −8 mag 9 jours après l'événement. Les observations régulières de l'observatoire Coddenham et du KAIT défavorisent quant à elles les transitoires optiques lumineux tels que des supernovas (types Ia et II), qui pouvaient être compatibles avec la localisation de FRB 20250316A pendant près de 25 ans avant le sursaut radio. 

Et puis les données du télescope KCWI ont permis d'étudier la densité du gaz, la métallicité, la nature de l'ionisation du gaz, l'extinction des poussières et le taux de formation d'étoiles dans l'environnement du FRB via les flux de raies d'émission. Elles ont révélé que FRB 20250316A est décalé de 190 ± 20 pc par rapport au centre de la région de formation d'étoiles la plus proche. Les échelles de temps de scintillation et de diffusion observées placent en outre un écran de diffusion à environ 60 pc devant FRB 20250316A. Les astrophysiciens suggèrent que cet écran de diffusion est probablement physiquement associé à la région de formation d'étoiles observée par KCWI. 

Le décalage observé de 190 ± 20 pc avec cette région de formation d'étoiles est similaire à celui d'un autre FRB,  FRB 20180916B, qui est décalé de 250 pc par rapport au centre d'un complexe de formation d'étoiles. En suivant  la logique que SP Tendulkar et al. (2021) avaient développée pour FRB 20180916B, en supposant donc que le progéniteur de FRB 20250316A se serait formé près du centre de la région de formation d'étoiles, on peut estimer l'âge minimum que devrait avoir la source du FRB compte tenu du décalage observé et de la vitesse de kick probable du progéniteur. C'est particulièrement contraignant pour le scénario du jeune magnétar, dans lequel, si l'on suppose les vitesses typiques des magnétars et des pulsars de notre Galaxie (entre 60 et 750 km s -1 pour 90 % des pulsars et magnétars dans des systèmes binaires), cela donnerait un âge compris entre  200 000 et 3 millions d'années pour la source, ce qui est bien plus longs que les durées de vie actives typiques des magnétars dans notre Galaxie. 

Cependant, en utilisant l'ajustement de P. Disberg et I. Mandel (2025) de la distribution des vitesses de kick pour les étoiles à neutrons isolées de moins de 10 Mégannées, qui couvre une gamme de vitesses plus large que celles considérées dans SP Tendulkar et al., et en tenant compte des incertitudes dans le décalage mesuré et les paramètres de meilleur ajustement, les chercheurs canadiens estiment une probabilité de 5 % d'observer un tel décalage pour des âges de source inférieurs à 10 000 ans. Et ils ajoutent que cette légère tension entre les décalages de FRB 20250316A et FRB 20180916B et l'âge des jeunes magnétars peut encore être atténuée si l'on suppose que l'étoile à neutrons/magnétar est créée in situ via une étoile OB en fuite.

D'autre part, Peter Blanchard et al. (2025), qui ont analysé finement les populations stellaires dans la zone localisée grâce à l'imagerie proche infrarouge du télescope Webb JWST publient un article compagnon à celui-ci. Ils ont trouvé des étoiles dont l'âge de population était similaire à celui de la région de formation d'étoiles colocalisée avec la localisation du FRB, ce qui indique que la population stellaire s'étend au-delà de la taille apparente de la région HII (hydrogène ionisé) dans les images de KCWI. Les auteurs concluent qu'une étoile à neutrons aurait pu se former in situ et, par conséquent, on ne pourrait pas imposer de contrainte significative sur son âge en se basant sur le décalage observé par rapport au centre de la région de formation d'étoiles.

En soi, l'absence de forte formation apparente d'étoiles à l'emplacement de FRB 20250316A, couplée aux limites de la proximité du FRB avec les étoiles de masse supérieure à 20 M⊙, aurait pu être interprétée comme étant en tension avec un objet compact jeune comme un magnétar (d'âge entre 10 et 100 Mégannées) . Mais, Blanchard et al. montrent que les emplacements des jeunes étoiles à proximité du FRB rendent les observations de FRB 20250316A compatibles avec un objet compact formé in situ.

FRB 20250316A marque ainsi le début d'une ère de localisations de routine pour des FRB ponctuels à des échelles de dizaines de millisecondes d'arc, ce qui permettra des études à grande échelle de leurs environnements locaux. Et dans cette quête CHIME sera bientôt secondé par d'autres radiotélescopes comme  CHORD (Canadian Hydrogen Observatory and Radio-transient Detector) et DSA (Deep Synoptic Array), de quoi révolutionner l'étude des FRB pour comprendre leur multiples populations et dévoiler leur origine.

Sources

FRB 20250316A: A Brilliant and Nearby One-Off Fast Radio Burst Localized to 13 parsec Precision

CHIME/FRB Collaboration 

The Astrophysical Journal Letters, Volume 989, Number 2 (21 august 25)

http://doi.org/10.3847/2041-8213/adf62f

James Webb Space Telescope Observations of the Nearby and Precisely-Localized FRB 20250316A

Peter Blanchard et al.

The Astrophysical Journal Letters, Volume 989, Number 2 (21 august 25)

http://doi.org/10.3847/2041-8213/adf29f

Illustrations

1. Vue d'artiste de la détection de FRB par CHIME/FRB (NASA/ESA/CSA/CfA/P. Blanchard et al.; Image processing: CfA/P. Edmonds.)

2. Localisation de FRB 20250316A dans la galaxie NGC 4141 (CHIME collaboration)

Les sursauts radio rapides préfèrent les galaxies massives

Les sursauts radio rapides (FRB) sont de brefs éclairs d’ondes radio suffisamment énergétiques pour être observés depuis la Terre même lorsqu’ils proviennent de galaxies lointaines. Bien que la source de ces sursauts soit encore mal cernée, la découverte d’un signal de type FRB émanant d’un magnétar de la Voie Lactée nous a fourni un indice clé en avril 2020. Mais ce FRB galactique était considérablement plus faible que les autres FRB connus, et un autres FRB confirmé provenant lui d’une vieille population d’étoiles a ajouté un autre facteur de confusion, car les magnétars sont des jeunes étoiles à neutrons et très énergétiques. Dans un article publié dans Nature cette semaine, Kritti Sharma (CalTech) et ses collaborateurs rapportent l'étude qu'ils ont effectuée sur les environnements des galaxies d’où proviennent les FRB, et leurs résultats suggèrent que ces sursauts radio pourraient provenir de magnétars créés de manière non conventionnelle...

Entre février 2022 et novembre 2023, Sharma et ses collaborateurs ont déterminé les galaxies hôtes de 26 FRB à l'aide d'un réseau d'antennes appelé le Deep Synoptic Array (DSA-110), situé en Californie.  Connaître la position précise des FRB dans le ciel est crucial pour identifier les galaxies hôtes dans lesquelles ils sont apparus. Bien que des milliers de FRB atteignent la Terre chaque jour (et que des centaines aient été détectés), découvrir un large échantillon de sursauts et mesurer leur position avec suffisamment de précision pour localiser leurs galaxies hôtes reste un défi. En utilisant le DSA-110, Sharma et ses collègues ont pu doubler le nombre de FRB qui ont pu être associés de manière fiable à leur galaxie hôte. Le réseau est actuellement l'un des instruments les plus efficaces pour localiser un grand nombre de FRB, atteignant en moyenne environ une association FRB-galaxie par mois. La localisation précise des galaxies hôtes des FRB est actuellement la seule méthode fiable pour mesurer avec précision les vastes distances parcourues par ces puissants flashs. La capacité à localiser précisément un grand nombre de sursauts est ainsi cruciale pour découvrir les origines de ces signaux cosmiques, ainsi que pour permettre l'utilisation des FRB comme sondes pour étudier les propriétés de l'Univers.

Après avoir ajouté 26 autres galaxies hôtes de FRB issues d'études précédentes, les auteurs ont ensuite sélectionné 30 galaxies de cet échantillon, après avoir exclu celles qui étaient trop éloignées pour une étude détaillée. Cet échantillon réduit confirme que les FRB proviennent généralement de régions où se trouvent de jeunes populations stellaires. 

Cependant, Sharma et al . ont également observé que ces sursauts sont plus susceptibles de provenir de galaxies massives, avec un grand nombre d'étoiles, bien que ces galaxies soient relativement rares dans l'Univers. Et ils montrent que les galaxies plus petites, qui sont beaucoup plus courantes, produisent, en moyenne, moins de sursauts radio que prévu sur la base de leur prévalence. 

Les observations des FRB suggèrent que leurs progéniteurs pourraient être des magnétars, de jeunes étoiles à neutrons provenant principalement de supernovas à effondrement de cœur. Sharma et al . ont calculé la probabilité de trouver un FRB dans une galaxie d'une masse stellaire donnée et ont découvert que la distribution divergeait de celle des supernovas à effondrement de cœur, en particulier à faible masse, sachant que la probabilité des supernovas est cohérente avec la distribution simulée des masses des galaxies pondérées par leur taux de formation d'étoiles.

Les auteurs concluent que la différence pourrait être le résultat de la formation de magnétars par des mécanismes autres que les supernovas à effondrement de cœur « standard », par exemple, après la fusion d'un système d'étoiles binaires.

Ce résultat peut s'expliquer par la métallicité des galaxies, qui correspond à l'abondance d'éléments plus lourds que l'hydrogène et l'hélium. Les galaxies massives ont généralement une métallicité plus élevée que leurs homologues plus petites. Cette préférence pour les galaxies massives aux environnements riches en éléments lourds distingue les FRB des autres phénomènes astronomiques transitoires, qui ont tendance à coexister avec de jeunes étoiles ou à se produire dans des environnements dominés par l'hydrogène et l'hélium. Les environnements riches en métaux peuvent favoriser la formation de progéniteurs de magnétars par fusion stellaire selon les chercheurs, car les étoiles à plus forte métallicité sont moins compactes et plus susceptibles de remplir leurs lobes de Roche, ce qui conduit à un transfert de masse instable. Bien que les étoiles massives n'aient pas d'intérieurs convectifs pour générer des champs magnétiques forts par dynamo, on pense que les restes de fusion ont les champs magnétiques internes requis pour donner naissance à des magnétars. L'occurrence préférentielle de FRB dans les galaxies massives formatrices d'étoiles suggère que c'est une supernova à effondrement de cœur du reste d'une fusion d'étoiles qui forme préférentiellement des magnétars. 

La découverte de Sharma et de ses collègues affaiblit donc le lien potentiel entre les FRB et d'autres types de phénomènes astronomiques transitoires. Et la formation de magnétars par des systèmes binaires pourrait également expliquer l’apparition occasionnelle de FRB dans des régions où les populations stellaires sont plus anciennes, car les systèmes d’étoiles binaires peuvent avoir une durée de vie considérablement plus longue que celle des magnétars isolés.

Certaines différences sont également apparentes dans les distributions des décalages spatiaux au sein des galaxies entre les FRB et les classes de transitoires qui tracent la formation des étoiles. Les décalages des FRB plus importants peuvent être révélateurs des longs retards temporels dans l'apparition des supernovas à effondrement de coeur impliquant des étoiles binaires en interaction (50 à 250 Mégannées contre 3 à 50 mégannées pour une étoile massive isolée), ce qui impliquerait que ces supernovas se produisent de manière substantiellement décalée spatialement par rapport aux sites de naissance des étoiles. Par exemple, si les mouvements stellaires typiques au site de naissance sont d'environ 10 km s-1 et que le temps de retard est de 75 Mégannées, alors le système aurait dérivé de 750 pc avant l'explosion. 

Alternativement, les décalages spatiaux des FRB peuvent également provenir de la contribution de canaux de formation autres que des supernovas à effondrement de coeur, tels que l'effondrement induit par l'accrétion ou l'effondrement induit par la fusion de naines blanches massives et de fusions d'étoiles à neutrons binaires. L'existence de ces canaux de formation de sources de FRB est également indiquée par FRB 20201120E, trouvé dans un amas globulaire. En conclusion, les décalages spatiaux plus importants des FRB peuvent être dus soit au scénario de formation retardée de magnétars par fusion stellaire, soit aux contributions de canaux de formation autres que supernovas de type II. 

Une analyse détaillée de la distribution des temps de retard des FRB par rapport à la formation de leurs progéniteurs stellaires pourrait permettre d'obtenir des informations plus approfondies sur les canaux de formation. On s'attend à ce que les canaux de type AIC/MIC (effondrement par accrétion ou pas fusion de naines blanches) aient des distributions de temps de retard étendues sur plusieurs plusieurs milliards d'années, alors que les supernovas de type II d'étoiles isolées se produisent sur des durées de vie stellaires d'environ 3 à 50 mégannées et que les supernovas de type II des restes de fusion stellaire devraient se produire dans les 50 à 250 mégannées suivant la naissance des composantes stellaires.

L'occurrence préférentielle des FRB dans les galaxies massives en formation d'étoiles est une contrainte qui s'applique à tout modèle de formation de sources de FRB. L'influence de la métallicité sur la formation des sources de FRB pourra aussi être corroborée de manière indépendante à l'aide d'études à venir. 

Étant donné que la formation d'étoiles dans l'Univers primitif se produit principalement dans des galaxies de faible masse et que les galaxies de même masse stellaire à des décalages vers le rouge plus élevés sont moins enrichies chimiquement, la préférence des FRB pour les environnements riches en métaux implique une suppression du canal de formation de source de FRB à des décalages vers le rouge élevés. Cependant, les scénarios proposés pour le FRB répétitif FRB 121102, qui se trouve dans une galaxie de formation d'étoiles naine à faible métallicité, pourraient devenir plus courants à des décalages vers le rouge élevés. Kritti Sharma et ses collaborateurs concluent que si la plupart des FRB sont émis par des magnétars tels que celui observé dans la Voie Lactée (SGR 1935-+2154), leurs résultats favorisent un scénario dans lequel les magnétars seraient généralement formés à partir de supernovas de type II, mais issues du résidu d'une fusion stellaire ayant eu lieu dans une binaire en interaction.

Source

Preferential occurrence of fast radio bursts in massive star-forming galaxies

Kritti Sharma et al.

Nature volume 635 (7 november 2024)

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08074-9

Illustrations

1. Distributions de l'occurrence des FRB et des supernovas à effondrement de coeur en fonction de la masse de la galaxie hôte mesurées par Sharma et al. (Nature)

2. Imagerie en optique/infrarouge des galaxies de l'échantillon étudié (Kritti Sharma et al.)

3. Kritti Sharma

Découverte d'une nouvelle périodicité dans les sursauts radio de FRB 20121102A

Une équipe d’astrophysiciens a compilé 1145 sursauts radio du célèbre FRB répétitif FRB 20121102A à partir d'observations archivées, réalisées à l'aide de nombreux radiotélescopes. Ils découvrent l’existence d’une nouvelle périodicité dans les sursauts radio de ce FRB, une période de 4,605 jours, qui s’ajoute à la période de 157 jours qui avait été trouvée il y a quelques années. Cela permet d’imaginer la structure du système qui est à l’origine de ces sursauts radio : une étoile à neutron en couple avec une naine blanche, et qui possède une planète très rapprochée… L’étude est parue dans The Astrophysical Journal.

Plus de 700 sources de FRB (Fast Radio Burst) ont été identifiées à ce jour, dont 50 répétitives. Les galaxies hôtes de certains FRB ont été localisées et pour certains, la polarisation et l'énergie des sursauts ont été mesurées, et la distribution de l'énergie ainsi que la période d'activité ont été identifiées pour quelques sources répétitives (dans les études de Zhang en 2020 et Petroff et al. en 2022).

On pense aujourd'hui que les FRB proviennent d'une étoile à neutrons ou plus précisément d'un magnétar. Mais la découverte d'activités périodiques de sources répétitives suggère qu’elles ont probablement des progéniteurs dans des systèmes binaires, ou bien proviennent de précessions de magnétars éruptifs.

Pour FRB 20121102A, qui a été le premier FRB répétitif détecté, une période d’environ 160 jours a été trouvée à partir d'observations approfondies en 2018 et 2020.  FRB 20121102A est la source de FRB de loin la plus prolifique en sursauts radio, on en a déjà détecté plus de 1600, et ça continue tous les jours ou presque.  En octobre 2021, une analyse effectuée sur 1652 sursauts détectés avec le radiotélescope FAST (voir https://www.ca-se-passe-la-haut.fr/2021/10/1652-sursauts-observes-sur-frb-20121102.html) montrait qu’il existait étrangement deux sous-populations de sursauts chez FRB 20121102A, qui se distinguent par leur énergie. Une bimodalité dans les sursauts laisse supposer l’existence de différents mécanismes ou sites d'émission des sursauts.

Jixuan Li (Sun Yat-Sen University, Zhuhai, Chine) et ses collaborateurs qui avaient trouvé cette bimodalité il y a 3 ans, ont donc cherché à en savoir plus en essayant d’identifier si il existerait une seconde périodicité spécifique en plus de la périodicité qui avait déjà été identifiée dans les signaux il y a quelques années. Les chercheurs chinois ont exploité les données archivées des radiotélescopes FAST, Arecibo, Green Bank Telescope, du télescope de Effelsberg, du télescope MeerKAT, du télescope Lovell, du Deep Space Network, du Very Large Array et enfin du radiotélescope de Westerbork, qui ont tous été utilisés à un moment ou à un autre pour capter des sursauts radio rapides en provenance de FRB 20121102A.

L’analyse détaillée de la distribution dans le temps des sursauts radio montre l’existence d’une première quasi-période de 157,1 jours (+4,8 /-5,2 jours) et d’une seconde quasi-période ("candidate" pour l'instant) de 4,605 jours (0,010/-0,003 jours)

La première période de 157,1 jours est cohérente avec les résultats des études précédentes, mais la seconde est une découverte. Les astrophysiciens chinois montrent que la périodicité de 4,605 jours est plus évidente dans les sursauts à haute énergie dont la fluence est supérieure à 10³⁸ erg. Li et ses collaborateurs essayent donc de comprendre quelle peut être l’origine de cette nouvelle quasi période d’un peu moins de 5 jours dans les sursauts radio rapides de FRB 20121102A et comment elle peut s’inscrire dans la périodicité plus longue de plus de 150 jours.

Il faut se rappeler que les jeunes magnétars sont des étoiles à neutrons très actives. Leur rotation et leur champ magnétique puissant alimentent des flux de vent de particules, et des « ondes de souffle » peuvent également être lancées par ces magnétars, qui produisent des chocs quand elles interagissent avec la matière environnante. Les chocs accélèrent les particules, ce qui entraîne l'émission d’ondes radio. Ces chocs dans les flux magnétiques, c'est le scénario que Beloborodov a proposé en 2017 et 2020 pour expliquer l'origine des FRBs. Il existe aussi d’autres explications très pertinentes qui ont été proposées ces dernières années et qui font intervenir des tremblements de la croûte de l’étoile à neutrons. Dans le scénario magnétosphérique de Beloborodov, le champ magnétique de FRB 20121102A doit être de 10¹⁴ Gauss.

Avec des périodicités comprises entre une dizaine et une centaine de jours qui ont été trouvées dans des FRBs répétitifs, un consensus s'est établi sur le fait que la périodicité des sursauts est associée soit aux périodes orbitales de systèmes binaires, la compagne étant une étoile dégénérée ou une étoile massive, soit à la précession d'un magnétar. Et une origine possible par une étoile à neutrons à très longue période de rotation sur elle même ne peut toujours pas être exclue pour les FRBs ayant les périodes les plus courtes.

Pour FRB 20121102A, une orbite binaire très excentrique avec une séparation critique rc de 4,67 UA entre l’étoile à neutrons et l’étoile dégénérée (probablement une naine blanche) est supposée expliquer sa période de ∼160 jours et un cycle d'activité de 50% comme l’ont montré Du et al. en 2021.

Li et son équipe partent donc de cette image de binaire pour tenter d’expliquer la petite période de 4,605 jours qu’ils ont identifiée. Dans ce scénario, du plasma magnétisé résulte du flux d'accrétion de la naine blanche compagne et se propage entre la naine blanche et l'étoile à neutrons lorsqu'elles ont des séparations inférieures à la distance critique rc.

Pour Li et ses collaborateurs, une explication possible de la période de 4,605 jours est l'existence d'une planète proche de l'étoile à neutrons. Pour une étoile à neutrons de 1,4 masses solaires (masse typique), cette période de 4,605 jours implique une séparation orbitale de la planète de 0,061 UA seulement (6 fois plus proche de l'étoile que Mercure du Soleil). La planète résiderait donc dans la magnétosphère de l'étoile à neutrons et interagirait avec le vent de l'étoile à neutrons et l'afflux de matière lors de l'accrétion à partir de la naine blanche.

Ainsi, l'interaction entre la planète et le plasma magnétisé qui l'entoure devrait former une instabilité de type « aile d'Alfvén », qui donne lieu à des impulsions radio, contribuant aux variations quasi-périodiques des impulsions observées dans le FRB. Le phénomène de focalisation relativiste fait se concentrer les sursauts radio de haute intensité dans une gamme étroite de directions. Et lorsque la direction du rayonnement passe par la ligne de visée à chaque orbite de la planète, un nombre croissant de sursauts radio devrait être vu par l'observateur. Ce n'est que lorsque l'interaction binaire entre l’étoile à neutrons et la naine blanche est activée qu'il peut y avoir des flux d'accrétion autour de l'étoile à neutrons qui héberge la planète, de sorte que celle-ci peut interagir avec le plasma qui l'entoure et produire des sursauts.

Mais il existe aussi d'autres mécanismes possibles pour les sursauts radio rapides dans le même cadre géométrique, comme le décrivent Li et ses collaborateurs.

La première possibilité alternative est une reconnexion magnétique, comme celles observées dans l'environnement spatial du système solaire, qui convertit l'énergie stockée dans les champs magnétiques en énergie cinétique de particule. Ces particules à haute énergie peuvent ensuite produire une émission cohérente ou rayonner leur énergie par effet synchrotron. A une distance r<rc , l'étoile naine blanche fournit un flux d'accrétion dans lequel il y aurait suffisamment de particules chargées pour être accélérées dans la reconnexion donnant lieu à des sursauts radio détectables, selon les chercheurs.

La reconnexion magnétique se produit également entre le magnétar et la planète voisine si cette dernière est magnétisée. Cette reconnexion peut donc être modulée par l'orbite de la planète, c'est-à-dire maximisée lorsque le fort champ magnétique de la magnétosphère asymétrique de la planète fait face au magnétar en rotation.

La seconde alternative est l'induction unipolaire. L'interaction de marée entre une planète rocheuse et son étoile hôte (surtout une étoile à neutrons très proche) peut provoquer des intenses activités volcaniques sur la planète, qui produiront une induction unipolaire et fourniront du plasma autour de la planète à même de produire une émission radio par effet maser. Cependant, le plasma externe d'accrétion ou du vent de magnétar dans le système binaire contient généralement des particules de haute énergie, qui sont toujours cruciales pour les sursauts radio détectables. Dans ces différentes variantes, le point commun est la configuration géométrique impliquant une binaire avec une naine blanche et une étoile à neutrons (un magnétar) qui héberge une planète en orbite étroite.

Cette configuration permet d'expliquer en même temps la présence de deux quasi périodes dans les sursauts de FRB 20121102A et l’existence de deux sous-populations de sursauts, distinguées par leur énergie, qui avaient été trouvées par Li et al. en 2021. Car dans cette configuration impliquant une étoile compagne et une planète proche, les sursauts de FRB 20121102A peuvent être divisés en deux classes, résultant de processus différents. La plupart des sursauts, en particulier ceux de basse énergie et certains sursauts de haute énergie, proviendraient des ondes de chocs induits par les vents de magnétar interagissant avec le plasma environnant. Et simultanément, une fraction substantielle des sursauts à haute énergie serait causée par le choc ou l'interaction magnétique entre le magnétar et la planète en orbite autour de lui, qui produit des particules plus énergétiques par rapport au choc dans le plasma environnant, ce qui conduit à des sursauts radio plus lumineux.

Source 

A Candidate Period of 4.605 Days for FRB 20121102A and One Possible Implication of Its Origin

Jixuan Li et al.

The Astrophysical Journal  (25 June 2024 )

https://doi.org/10.3847/1538-4357/ad4294

Illustration

Exemples de sursaut radio rapides issus de la source FRB 20121102A

Découverte d'un lien entre sursauts radio rapides répétitifs et non-répétitifs

Dans une nouvelle étude que vient de publier Nature Astronomy, des astrophysiciens européens ont utilisé des radiotélescopes en Suède, en Allemagne, aux Pays-Bas et en Pologne pour surveiller la source répétitive de sursauts radio rapides qui se nomme  FRB 20201124A. Avec cette étude la plus longue jamais réalisée sur une source de FRB répétitf, les chercheurs tissent enfin le lien avec les FRB uniques, ceux qui ne se sont jamais (encore) répétés.

Rétrospective des 23 plus belles découvertes de 2023

L'heure de la rétrospective annuelle est venue ! Je vous propose de retrouver ci-dessous les 23 découvertes qui ont marqué cette année 2023, sous la forme d'un classement qui se veut tout à fait subjectif... 

Bonne année à toutes et tous ! 

23 : Découverte d'une galaxie sans étoiles (07.03)

22 : Caractérisation d'un sursaut gamma ultra-long et ultra-lointain (29.09)

21 : La vitesse ultime des trous noirs errants (25.08)

20 : Découverte d'une étoile produite dans un résidu de supernova par instabilité de paires (07.06)

19 : IceCube détecte les neutrinos de la Voie Lactée (07.07)

18 :  Vénus a une activité volcanique actuellement (19.03)

17 :  Nouvelle image du trou noir M87* obtenue grâce à l'intelligence artificielle (13.04)

16 : Les anomalies du fond diffus cosmologique expliquées par un effet d'avant plan galactique (09.07)

15 :  Découverte d'un trou noir de 100 millions de masses solaires 470 megannées post Big Bang (9.11)

14 : Le panache d'eau de Encelade analysé par le télescope Webb (01.06)

13 : Du phosphore détecté dans les panaches de Encelade (16.06 )

12 : De nombreuses molécules organiques identifiées dans les panaches de Encelade (15.12)

11 : Première mesure de la masse d'une naine blanche isolée (02.02)

10  : Mesure inédite de H0 grâce à une supernova démultipliée réapparue avec un retard, et nouveau pavé dans la mare (13.05)

9 : Détection d'une particule de 244 milliards de GeV, soit 40 Joules (29.11)

8 : Mesure inédite du ringdown dans GW190521 et réévaluation à la hausse de la masse du trou noir résultant (5.12 )

7 : La masse de la Voie Lactée divisée par 5 par une mesure précise de sa courbe de rotation (10.10)

6 : Découverte de 8 sursauts radio ultra-rapides (ultra FRB) (20.10)

5 : Découverte de 6 galaxies candidates très massives environ 600 mégannées post Big Bang (24.02)

4 : L'antimatière tombe vers le bas ! (27.09)

3 : L'espace-temps rayonne à proximité des trous noirs et des étoiles à neutrons (04.06)

2 : Détection du fond diffus d'ondes gravitationnelles à basse fréquence (29.06)

1 : GRB 221009A : le sursaut gamma le plus brillant depuis 10 000 ans (30.03)

Deux sources radio persistantes associées à des Fast Radio Bursts répétitifs

Alors que je m'apprêtais à vous relater un article paru le 27 novembre au sujet de la source radio persistante qui est observée à proximité immédiate du célèbre FRB répétitif FRB 20121102A, aujourd'hui sort un autre article qui fournit la caractérisation de la seule autre source radio persistante coïncidant avec la position d'un FRB répétitif : FRB 20190520B. On va donc parler des deux études qui sont assez similaires, sur des FRB très ressemblants, et menant à une conclusion convergente... 

Record de distance pour un FRB : 8 milliards d'années-lumière

Des astrophysiciens ont mesuré le sursaut radio rapide qui a parcouru le plus long trajet à ce jour : ses photons ont traversé l'Univers pendant environ huit milliards d’années, soit près de la moitié de son âge, avant d'être détectés par nos radiotélescopes sur Terre. Ce FRB, nommé  FRB 20220610A est également plus de trois fois plus puissant que prévu, ce qui remet en question les modèles actuels. L'étude est publiée dans Science.

Découverte de 8 sursauts radio ultra-rapides (ultra FRB)

Il y avait les Fast Radio Bursts (FRB), et maintenant nous avons des Ultra Fast Radio Bursts. Une équipe de radioastronomes vient de découvrir des sursauts radio en provenance du célèbre FRB 20121102A qui ne durent que quelques microsecondes seulement, alors que les autres sursauts de ce FRB répétitif durent environ 0,5 millisecondes... la découverte est publiée dans Nature Astronomy.

Des tremblements d'étoiles à neutrons à l'origine des FRB

Un indice troublant vient d'être trouvé concernant l'origine des FRB, ces sursauts rapides d'ondes radio dont l'origine est encore mal comprise. Dans un article paru dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, des astrophysiciens japonais ont étudié les motifs des sursauts des trois FRB répétitifs les plus productifs, et ils trouvent une forte analogie avec les tremblements de Terre... Ils font naturellement le lien avec des tremblements de la croûte d'étoiles à neutrons...

Des fusions de naines blanches pour expliquer les pulsars jeunes des amas globulaires

La détection de 4 pulsars apparemment jeunes dans 3 amas globulaires de la Voie Lactée est difficile à concilier avec les scénarios standards de formation d'étoiles à neutrons associés à l'évolution des étoiles massives. Une équipe d’astrophysiciens propose une voie de formation pour ces pulsars : la fusion d’étoiles naines blanches dans des amas dynamiquement anciens. De plus, ce type de processus pourrait aussi expliquer le FRB qui a été vu récemment dans l’amas globulaire de la galaxie M81. L’étude est publiée dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters.

Observation de propriétés singulières sur un FRB répétitif

En étudiant un sursaut radio rapide répétitif bien connu, une équipe d'astrophysiciens ont découvert un milieu très variable avec des champs magnétiques turbulents, une observation qui suggère que les impulsions d'ondes radio peuvent provenir d'un objet compact dans un système binaire avec une compagne produisant de forts vents stellaires. L'étude est publiée dans Science.

Découverte de 25 nouvelles sources de FRB répétitifs

La collaboration CHIME/FRB, leader dans le domaine de la détection des sursauts rapides d'ondes radio vient de publier la découverte de 25 nouvelles sources de sursauts qui sont répétitifs. On a toujours du mal à savoir si les FRB répétitifs sont différents des FRB uniques, mais il semble que les sursauts répétitifs soient systématiquement plus proches que les sursauts uniques, un indice très intéressant... L'étude est publiée dans The Astrophysical Journal.

Un lien possible entre fusion d'étoiles à neutrons et FRB

Il se peut qu'il s'agisse d'une coïncidence purement fortuite, mais sa probabilité est très faible : seulement 0,52%. Le 25 avril 2019, un sursaut radio rapide non répétitif, FRB 20190425A, est en effet apparu 2,5h après l'événement d'ondes gravitationnelles GW190425 résultant d'une fusion d'étoiles à neutrons, et il était situé dans la zone d'origine déterminée des ondes gravitationnelles, et sa distance était également compatible avec la distance parcourue par les ondes gravitationnelles. Des chercheurs font aujourd'hui l'hypothèse d'un lien entre les deux événements. Ils publient leur étude dans Nature Astronomy. 

Détection d'un sursaut de FRB répétitif similaire à un FRB unique

Un FRB répétitif a été détecté à nouveau, mais cette fois pour la première fois à haute fréquence et pour la première fois par le radiotélescope japonais du Usuda Deep Space Center de la JAXA. Mais la densité d'énergie du sursaut détecté ressemblait d'avantage à celle d'un FRB non répétitif... L'étude est parue dans Publications of the Astronomical Society of Japan.

Détermination de l'environnement proche d'une source de FRB

FRB 20201124A est une source de FRB (sursauts radio rapides) aux caractéristiques surprenantes. Le radiotélescope chinois FAST a observé en 2021 près de 2000 sursauts consécutifs sur un total de 88 heures, qui montraient une mesure de la rotation de Faraday qui oscillait, ainsi qu’une polarisation circulaire et une largeur de pulses atypiques. Aujourd’hui, les astrophysiciens chinois qui l’ont décortiqué proposent un modèle pour expliquer ces observations : il s’agirait d’un magnétar dans un système binaire avec une étoile entourée d’un disque de gaz… L’étude est parue dans Nature Communications.

Découverte d'un FRB répétitif avec une périodicité de pulsar

La collaboration CHIME/FRB a détecté un FRB pas comme les autres le 21 décembre 2019. FRB 20191221A est ce qu'on appelle un FRB répétitif, montrant plusieurs sursauts, mais la nouveauté majeure avec cette source, c'est que chaque sursaut a une séparation périodique de 216,8 ms très exactement. Neuf sursauts ont été détectés pendant environ 3 secondes et puis plus rien. L'étude est publiée dans Nature.

Le FRB répétitif localisé qui pose question

Des radioastronomes ont réussi à localiser et caractériser un sursaut radio rapide (FRB) atypique : à la fois répétitif, très actif, et associé à une source radio persistante. FRB 20190520 ressemble sur de nombreux points à FRB 20121102, l'autre sursaut rapide répétitf et localisé lui aussi dans une galaxie naine. Mais le signal de dispersion des ondes radio de FRB 20190520 indique une distance qui ne colle pas du tout avec la distance mesurée de sa galaxie hôte... L'étude est parue aujourd'hui dans Nature.  

 

FRB répétitifs: La polarisation dépend de la fréquence des ondes radio

Lorsque l’année dernière l’équipe d’astrophysiciens menée par Bing Zhang a publié l’observation de plus de 1650 sursauts radio rapides provenant de la source FRB 20121102A, un élément était très surprenant : ces ondes radio n’étaient pas polarisées, alors que les FRB détectés jusqu’alors ont toujours montré des ondes fortement polarisées. Une nouvelle étude portant sur 5 FRB répétitifs comme FRB 121102 vient de lever un voile très important pour comprendre l’origine du phénomène FRB : la polarisation dépend de la fréquence des ondes radio… L’étude est publiée dans Science.

La localisation d'un FRB répétitif confirmée dans un amas globulaire de la galaxie M81

En octobre 2021, je vous relatais une étude portant sur le FRB nommé FRB 20200120E, un sursaut rapide d'ondes radio répétitf qui avait été découvert en janvier 2020 dans la galaxie proche M81 et qui ne semblait pas vraiment provenir d'un magnétar du fait de l'absence d'émission de rayons X. Aujourd'hui, une équipe d'astrophysiciens confirme que ce FRB est bien situé dans un amas globulaire de M81, avec une précision de localisation inédite. Or, un amas globulaire est peuplé de vieilles étoiles et donc très peu propice à abriter un jeune magnétar, et d'autres solutions sont envisagées... L'étude est parue cette semaine dans Nature, et et accompagnée d'un autre article dans Nature Astronomy qui analyse les caractéristiques temporelles des nouveaux sursauts détectés.

536 sursauts radio rapides (FRB) publiés dans le premier catalogue de CHIME/FRB

On aura encore pas mal parlé de FRB (Fast Radio Burst) cette année, tout d’abord le 26 février avec une étude consacrée au FRB de notre galaxie FRB 200428 (ep 1138) puis le 20 avril avec la découverte d’un FRB observable dans les basses fréquences qui se trouvent être décalées dans le temps (ep 1165 ). Et le 28 mai, je vous relatais la localisation de 8 sursauts radio dans des bras spiraux de galaxies (ep. 1184) puis le 25 août ce fut une détection d’un FRB répétitif avec les fréquences les plus basses jamais observées (ep 1211). Et nous avons poursuivis le 3 octobre avec la découverte du 7ème FRB répétitif (ép 1228 ) puis le 14 octobre avec la publication de plus de 1600 sursauts provenant de la même source, le FRB répétitif le plus productif (FRB 20121102), détectés avec le radiotélescope géant FAST, avec à la clé de nouvelles caractéristiques étonnantes (ép. 1233), et enfin 26 octobre, avec de nouvelles données éclairantes sur le FRB extragalactique le plus proche de nous (ép. 1237).

Pour clore cette année sous le signe de ces mystérieux sursauts radio dont on commence un peu à mieux comprendre l’origine possible, nous allons évoquer la nouvelle publication de la collaboration leader du domaine, j’ai nommé CHIME/FRB. Les chercheurs publient aujourd’hui rien de moins que la détection de 536 sursauts radio rapides durant une année pleine. Cela fait en moyenne plus de 10 par semaine ! Presque 2 par jour...  Ce grand nombre de détections localisées et caractérisées leur permet de construire le premier catalogue détaillé, sur lequel on peut maintenant faire des études statistiques. L’article est paru dans The Astrophysical Journal Supplement Series, et il est accompagné de deux autres articles dédiés à des études statistiques sur la distribution et sur la morphologie des signaux détectés, dans The Astrophysical Journal.