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Visualisation d'artiste d'un magnétar. Author provided

Des impulsions radio hors du commun : comment est né un mystérieux signal spatial

Une bouffée d’intenses ondes radio d’une bonne trentaine de secondes qui se répètent toutes les 18 minutes… c’est ce signal spatial mystérieux qu’ont détecté des radioastronomes avec un réseau d’antennes installé dans l’Ouest australien.

Mais après deux à trois mois de feu d’artifice au début 2018… plus rien !

Installé dans une région désertique de l’Australie pour éviter la contamination des signaux radio par l’activité humaine, le Murchison Widefield Array (MWA) est constitué de plusieurs milliers de petites antennes posées au sol et sensibles aux fréquences radio entre 70 et 300MHz (la familière radio FM et au-dessus).

Les capacités de calcul disponibles de nos jours permettent de traiter en temps réel toutes les données de ces nombreuses antennes et de construire des cartes du ciel couvrant plusieurs constellations tout en étant d’une excellente résolution pour des images radio basse fréquence (environ 100 000 pixels sur une surface du ciel correspondant à un millier de Pleines Lunes, avec une centaine de pixels sur la Pleine Lune). Notons que le MWA a d’abord été construit pour fournir des cartes utilisées pour étudier la répartition du gaz d’hydrogène au début de la vie de l’Univers, quelque temps après le Big-Bang.

Cet instrument est typique des nouveaux grands télescopes maintenant construits pour faire de la radioastronomie avec de très nombreuses antennes toutes simples et toute la complexité reportée sur les énormes calculs ultérieurs. C’est d’ailleurs officiellement un précurseur pour le gigantesque projet international de radiotélescope SKA (Square Kilometer Array), conçu sur le même principe.

Un étudiant à l’origine de la découverte

Avec MWA, les scientifiques ont aussi mené le programme GLEAM, qui utilise l’équivalent de milliers de cartes du ciel du Sud pendant 8 ans. Il s’agit de scruter le ciel pour y détecter l’émission radio des galaxies, des noyaux actifs de galaxies, des restes d’explosions de grosses étoiles, des pulsars, des rayons cosmiques, etc. Fin 2020, un tout jeune étudiant, Tyrone O’Doherty, a été chargé, par la scientifique Natasha Hurley-Walker de Curtin University, de chercher des sources d’intensité radio variable dans les données GLEAM. Il a rapidement trouvé une source extrêmement intense dans les données de début 2018 mais qui semblait avoir ensuite disparu. Des recherches plus approfondies ont rapidement permis de constater que l’émission était présente sur toutes les fréquences captées par le MWA et qu’une répétition à une vingtaine de minutes semblait présente. C’est alors l’ensemble des 40 Pétaoctets de données qui a été scruté et 71 détections sont sorties des supercalculateurs. Rien avant ni après les 3 mois de début 2018… mais à la clef trois indices importants.

D’abord, la mesure de la dispersion produite par le milieu interstellaire permet de situer la source dans notre Galaxie à environ 4 000 années-lumière. Ensuite, la mesure de l’indice du spectre radio est le signe d’une émission d’un type particulier, dite cohérente pour laquelle toutes les particules émettent leurs ondes radio de façon coordonnée, en provenance d’un petit objet compact. Enfin, la caractérisation d’une intense polarisation radio, dite linéaire, qui est la manifestation d’un champ magnétique très structuré. À part une période très, très longue, cela fait beaucoup de signes en faveur de l’émission d’un « pulsar » pour cette source maintenant nommée GLEAM-X J162759.5-523504.

Boule de gaz d’hydrogène à sa naissance, une étoile comme notre Soleil transforme celui-ci en hélium avant de s’éteindre relativement tranquillement. Par contre, une étoile dix fois plus grosse que notre Soleil se montre vorace et violente. Elle consomme son hydrogène beaucoup plus rapidement et termine sa vie en une grande explosion : c’est une étoile visible en plein jour pendant quelques semaines, une supernova !

Comprimé par l’explosion, le cœur de l’étoile devient une étoile à neutrons d’une quinzaine de km de diamètre pour une masse un peu plus grande que celle de notre Soleil. Un champ magnétique intense permet à l’étoile d’émettre deux faisceaux radio qui sont entraînés par la rotation et perçus comme des impulsions brèves et régulières : c’est un pulsar. D’une trentaine de tours par seconde juste après l’explosion, le pulsar ralentit, rapidement au début puis plus lentement, jusqu’à mettre une dizaine de secondes pour faire un tour lorsque les émissions radio cessent par manque d’énergie.

Un magnétar à l’origine du signal ?

Parmi les milliers de pulsars connus (en radio mais aussi à d’autres longueurs d’onde… rayons X, gamma, etc.), deux douzaines présentent un comportement particulier… ils tournent lentement (2 à 10 secondes de période), ils ont un champ magnétique 1 000 fois plus intense et les instruments captent leurs impulsions par bouffées. Durant les premières secondes après l’explosion de l’étoile initiale, les théoriciens proposent des conditions particulières de mouvements de la matière dans la toute jeune étoile à neutrons. Cette « convection globale » permettrait d’amplifier fortement le champ magnétique et de former un « magnetar ». Quand il est actif en radio, c’est pendant quelques mois, un festival d’impulsions intenses et variables avec une disparition progressive. En ce début 2022, le plus lent des magnétars avérés a besoin de près de 12 secondes pour effectuer une rotation sur lui-même

Avec des impulsions radio ici observées sur seulement 3 mois, il a été possible de déterminer une période exacte de 1091.15 secondes mais uniquement d’estimer un ralentissement d’une microseconde par période de 1091 secondes. Ceci tend néanmoins à confirmer un énorme champ magnétique typique des magnétars. Comme pour la plupart des magnétars et contrairement aux pulsars ordinaires, il est aussi confirmé que ce ne peut être la perte de rotation qui fournit l’énergie importante nécessaire aux émissions radio de cette source. Comme pour les quelques magnétars détectés en radio, il est imaginé que ce sont de gigantesques craquements de la surface qui, se répercutant violemment dans la magnétosphère, déclenchent des avalanches d’émissions radio très intenses durant quelques semaines ou mois.

La source GLEAM-X J162759.5-523504 semble bien être un magnétar. Il reste toutefois à expliquer l’intensité hors du commun des impulsions radio et à se convaincre qu’il n’en est pas encore connu d’autres aussi lents juste parce que l’on cherche mal ces objets à la rotation très tranquille. Les scientifiques savent maintenant que cela vaut la peine de chercher de telles sources et l’on peut espérer que, comme tout magnétar, il se rallumera un jour en radio. À quand la prochaine bouffée ?

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