Lorsque les astronomes ont remarqué pour la première fois la détection d'un Fast Radio Burst (FRB) en 2007 (alias le Lorimer Burst), ils étaient à la fois stupéfaits et intrigués. Cette explosion d'impulsions radio de haute énergie, qui n'a duré que quelques millisecondes, semblait provenir de l'extérieur de notre galaxie. Depuis ce temps, les astronomes ont trouvé des preuves de nombreux FRB dans des données précédemment enregistrées, et spéculent toujours sur leurs causes.
Grâce aux découvertes et recherches ultérieures, les astronomes savent maintenant que les FRB sont beaucoup plus courants qu'on ne le pensait. En fait, selon une nouvelle étude réalisée par une équipe de chercheurs du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), les FRB peuvent se produire une fois par seconde dans l'Univers observable. Si elles sont vraies, les FRB pourraient être un puissant outil de recherche sur les origines et l'évolution du cosmos.
L’étude, intitulée «Une explosion radio rapide se produit chaque seconde dans l’univers observable», a récemment paru dans The Astrophysical Journal Letters. L’étude a été dirigée par Anastasia Fialkov, chercheuse postdoctorale et boursière à l’Institut de théorie et de calcul du CfA (ITC). Elle était accompagnée du professeur Abraham Loeb, directeur de l'ITC et du professeur de sciences Frank B. Baird, Jr. à Harvard.
Comme indiqué, les FRB sont restés un mystère depuis leur découverte. Non seulement leurs causes restent inconnues, mais beaucoup de choses sur leur vraie nature ne sont toujours pas comprises. Comme le Dr Fialkov l'a déclaré à Space Magazine par e-mail:
«Les FRB (ou rafales radio rapides) sont des signaux astrophysiques de nature indéterminée. Les salves observées sont de courtes (ou millisecondes), des impulsions lumineuses dans la partie radio du spectre électromagnétique (aux fréquences GHz). Jusqu'à présent, seulement 24 rafales ont été observées et nous ne savons toujours pas avec certitude quels processus physiques les déclenchent. L'explication la plus plausible est qu'ils sont lancés par des étoiles à neutrons magnétisées en rotation. Cependant, cette théorie doit être confirmée. »
Pour leur étude, Fialkov et Loeb se sont appuyés sur des observations faites par plusieurs télescopes de la rafale radio rapide répétitive connue sous le nom de FRB 121102. Cette FRB a été observée pour la première fois en 2012 par des chercheurs utilisant le radiotélescope Arecibo à Porto Rico, et a depuis été confirmé provenir d'une galaxie située à 3 milliards d'années-lumière en direction de la constellation d'Auriga.
Depuis sa découverte, des salves supplémentaires ont été détectées provenant de son emplacement, faisant du FRB 121102 le seul exemple connu de FRB répétitif. Cette nature répétitive a également permis aux astronomes de mener des études plus détaillées à ce sujet que tout autre FRB. Comme le professeur Loeb l'a déclaré à Space Magazine par e-mail, ces raisons et d'autres en ont fait une cible idéale pour leur étude:
«Le FRB 121102 est le seul FRB pour lequel une galaxie hôte et une distance ont été identifiées. C'est également la seule source FRB répétitive à partir de laquelle nous avons détecté des centaines de FRB à ce jour. Le spectre radio de ses FRB est centré sur une fréquence caractéristique et ne couvrant pas une très large bande. Cela a des implications importantes pour la détectabilité de ces FRB, car pour les trouver, l'observatoire radio doit être réglé sur leur fréquence. »
Sur la base de ce que l'on sait du FRB 121102, Fialkov et Loeb ont effectué une série de calculs qui supposaient que son comportement était représentatif de tous les FRB. Ils ont ensuite projeté combien de FRB existeraient dans le ciel entier et ont déterminé que dans l'Univers observable, un FRB aurait probablement lieu une fois par seconde. Fialkov a expliqué:
«En supposant que les FRB sont produites par des galaxies d'un type particulier (par exemple, similaire à FRB 121102), nous pouvons calculer combien de FRB doivent être produites par chaque galaxie pour expliquer les observations existantes (c'est-à-dire 2000 par ciel et par jour). Avec ce nombre à l'esprit, nous pouvons déduire le taux de production de l'ensemble de la population des galaxies. Ce calcul montre qu'un FRB se produit chaque seconde lors de la prise en compte de tous les événements faibles. »
Bien que la nature et les origines exactes des FRB soient encore inconnues - les suggestions incluent des étoiles à neutrons rotatifs et même une intelligence étrangère! - Fialkov et Loeb indiquent qu'ils pourraient être utilisés pour étudier la structure et l'évolution de l'Univers. Si en effet elles se produisent avec une telle fréquence régulière dans tout le cosmos, alors des sources plus éloignées pourraient agir comme des sondes sur lesquelles les astronomes s'appuieraient alors pour sonder les profondeurs de l'espace.
Par exemple, sur de vastes distances cosmiques, il y a une quantité importante de matériel intermédiaire qui rend difficile pour les astronomes d'étudier le fond cosmique des micro-ondes (CMB) - le rayonnement résiduel du Big Bang. Les études de ce matériau intermédiaire pourraient conduire à de nouvelles estimations de la densité de l'espace - c'est-à-dire de sa quantité composée de matière ordinaire, de matière noire et d'énergie sombre - et de sa vitesse d'expansion.
Et comme l'a indiqué le professeur Loeb, les FRB pourraient également être utilisés pour explorer des questions cosmologiques persistantes, comme la fin de «l'âge sombre» de l'Univers:
«Les FRB peuvent être utilisés pour mesurer la colonne d'électrons libres vers leur source. Cela peut être utilisé pour mesurer la densité de matière ordinaire entre les galaxies dans l'univers actuel. En outre, les FRB aux premiers temps cosmiques peuvent être utilisés pour savoir quand la lumière ultraviolette des premières étoiles a brisé les atomes primordiaux d'hydrogène laissés par le Big Bang en leurs électrons et protons constitutifs. »
L '«âge sombre», qui s'est produit entre 380 000 et 150 millions d'années après le Big Bang, a été caractérisé par un «brouillard» d'atomes d'hydrogène interagissant avec des photons. De ce fait, le rayonnement de cette période est indétectable par nos instruments actuels. À l'heure actuelle, les scientifiques tentent toujours de déterminer comment l'Univers a fait la transition entre ces «âges sombres» et les époques ultérieures lorsque l'Univers était rempli de lumière.
Cette période de «réionisation», qui s'est déroulée 150 millions à 1 milliard d'années après le Big Bang, a vu la formation des premières étoiles et quasars. On pense généralement que la lumière UV des premières étoiles de l'Univers a voyagé vers l'extérieur pour ioniser l'hydrogène gazeux (éliminant ainsi le brouillard). Une étude récente a également suggéré que les trous noirs qui existaient au début de l'Univers ont créé les «vents» nécessaires qui ont permis à ce rayonnement ionisant de s'échapper.
À cette fin, les FRB pourraient être utilisés pour sonder cette première période de l'Univers et déterminer ce qui a brisé ce «brouillard» et permis à la lumière de s'échapper. L'étude de FRB très éloignées pourrait permettre aux scientifiques d'étudier où, quand et comment ce processus de «réionisation» s'est produit. Pour l'avenir, Fialkov et Loeb ont expliqué comment les futurs radiotélescopes pourront découvrir de nombreux FRB.
"Les futurs observatoires radio, comme le Square Kilometer Array, seront suffisamment sensibles pour détecter les FRB de la première génération de galaxies au bord de l'univers observable", a déclaré le professeur Loeb. «Notre travail fournit la première estimation du nombre et des propriétés des premiers éclairs d'ondes radio qui se sont allumés dans l'univers infantile.»
Et puis, il y a l'expérience canadienne de cartographie de l'intensité de l'hydrogène (CHIME) au Dominion Radio Astrophysical Observatory en Colombie-Britannique, qui a récemment commencé à fonctionner. Ces instruments et d'autres serviront d'outils puissants pour détecter les FRB, qui pourraient à leur tour être utilisés pour visualiser des régions du temps et de l'espace jamais vues auparavant, et déverrouiller certains des mystères cosmologiques les plus profonds.
"[N] ous constatons qu'un télescope de prochaine génération (avec une bien meilleure sensibilité que les télescopes existants) devrait voir beaucoup plus de FRB que ce qui est observé aujourd'hui", a déclaré le Dr Fialkov. «Cela permettrait de caractériser la population des FRB et d'identifier leur origine. Comprendre la nature des FRB sera une avancée majeure. Une fois que les propriétés de ces sources sont connues, les FRB peuvent être utilisées comme balises cosmiques pour explorer l'Univers. L'une des applications est d'étudier l'histoire de la réionisation (transition de phase cosmique lorsque le gaz inter-galactique était ionisé par les étoiles). »
C'est une pensée inspirée, utilisant les phénomènes cosmiques naturels comme outils de recherche. À cet égard, l'utilisation de FRB pour sonder les objets les plus éloignés dans l'espace (et aussi loin que possible dans le temps) est un peu comme utiliser des quasars comme balises de navigation. En fin de compte, l'avancement de notre connaissance de l'Univers nous permet d'explorer davantage celui-ci.
