Les sursauts radio rapides suivent la formation d’étoiles cosmiques avec un délai quasi nul, selon une nouvelle étude
Image à la une: Impression d’artiste d’un magnétar émettant un sursaut radio rapide ; crédit : NASA/JPL-Caltech
D’où viennent les sursauts radio rapides ? La question divise les astrophysiciens depuis près de deux décennies. Un camp soutient que les FRB sont produits par de jeunes magnétars formés lors d’explosions de supernovæ à effondrement de cœur. L’autre pointe vers les fusions de binaires compactes, des événements qui se déroulent sur des centaines de millions à des milliards d’années. Une nouvelle étude publiée sur le serveur de prépublication arXiv apporte la preuve observationnelle la plus solide à ce jour en faveur du scénario des magnétars jeunes.
Yi-Ying Wang, Yin-Jie Li et Yi-Zhong Fan de l’Académie chinoise des sciences ont réalisé une analyse bayésienne hiérarchique avec modélisation directe de la population CHIME/FRB, ajustant conjointement l’échantillon du catalogue, les fluences en bande de base et les décalages vers le rouge des galaxies hôtes localisées, tout en intégrant de manière cohérente la fonction de sélection du relevé. Leur conclusion : le taux cosmique de FRB atteint son maximum au même décalage vers le rouge que l’histoire de formation d’étoiles cosmique, avec un délai moyen de seulement 0,1 à 0,3 milliard d’années. Cela est cohérent avec une origine immédiate, à délai nul, au niveau de confiance de deux sigmas.
Un débat de longue date
Les sursauts radio rapides sont des impulsions d’énergie radio d’une durée de quelques millisecondes provenant de l’extérieur de la Voie lactée. Depuis leur découverte en 2007, les astronomes en ont catalogué des milliers, la plupart à l’aide de l’expérience CHIME (Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment) en Colombie-Britannique.
La question centrale concernant leur origine est la chronologie. Si les FRB proviennent de jeunes magnétars, leur taux devrait suivre de près le taux de formation d’étoiles : les étoiles naissent, les plus massives meurent rapidement en supernovæ, et les étoiles à neutrons résultantes, dotées de champs magnétiques extrêmes, émettent des FRB en quelques dizaines de millions d’années. Si, en revanche, les FRB proviennent de fusions de binaires compactes (deux étoiles à neutrons ou une étoile à neutrons et un trou noir en spirale), leur taux devrait atteindre son maximum bien plus tard que la formation d’étoiles, car le système binaire met des milliards d’années à fusionner.
Des études antérieures ont produit des résultats contradictoires. Une analyse de 2021 du premier catalogue CHIME a exclu l’hypothèse selon laquelle tous les FRB suivent l’histoire de formation d’étoiles, et a constaté que les données correspondaient mieux à un délai significatif ou à un modèle hybride avec à la fois une population dominante à retard et une population sous-dominante liée à la formation d’étoiles. La nouvelle étude, utilisant un catalogue plus vaste et des méthodes bayésiennes plus sophistiquées, aboutit à la conclusion opposée.
En quoi la nouvelle analyse diffère
Wang et ses collègues ont utilisé un échantillon plus important de CHIME et appliqué un cadre bayésien hiérarchique qui prend en compte les biais observationnels beaucoup plus soigneusement que les travaux antérieurs. Ils ont modélisé la fonction de sélection du relevé via le propre cadre d’injection de CHIME, qui insère des FRB simulés dans le pipeline de données réel pour mesurer ce que le télescope détecte réellement par rapport à ce qu’il manque.
Le résultat clé : sur une gamme de modèles de délai, le taux de FRB atteint systématiquement son maximum au même décalage vers le rouge que le taux de formation d’étoiles cosmique. Le délai moyen de 0,1 à 0,3 milliard d’années n’est pas nul, mais il est bien trop court pour le scénario de fusion de binaires compactes, où les délais typiques dépassent un milliard d’années.
« Cette découverte exclut les délais de plusieurs milliards d’années rapportés précédemment et interprétés comme la preuve d’une origine par fusion de binaires compactes », écrivent les auteurs. « Elle pointe plutôt vers des systèmes progéniteurs liés à de jeunes restes stellaires, notamment les magnétars formés lors d’explosions de supernovæ à effondrement de cœur. »
Ce que cela signifie
Le résultat réduit considérablement les possibilités théoriques. S’il est confirmé par de futurs relevés, cela signifie que la grande majorité des FRB proviennent d’un seul canal immédiat : des étoiles massives qui s’effondrent en étoiles à neutrons magnétisées en quelques dizaines de millions d’années après leur formation. Le canal retardé, s’il existe, ne peut représenter qu’une petite minorité d’événements.
Cela signifie également que les FRB peuvent servir de traceur direct de la formation d’étoiles cosmique, à l’instar des taux de supernovæ et des sursauts gamma. Parce que les FRB sont détectables sur des distances bien plus grandes que la plupart des supernovæ, ils pourraient devenir un nouvel outil puissant pour mesurer la vitesse à laquelle l’univers a formé des étoiles à différentes époques de l’histoire cosmique.
L’article est disponible sur arXiv sous l’identifiant 2607.09109, soumis pour publication dans une revue à comité de lecture.
Traduit par Lydie