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Les sursauts radio rapides (FRBs, de l’anglais fast radio bursts) sont de puissants flashs de lumière radio qui ne durent que quelques millisecondes avant de disparaître sans laisser de traces. L’origine des FRBs est inconnue, et leur apparition imprévisible. Au cours de la décennie qui a suivi la découverte du premier sursaut en 2007, seulement 140 FRBs ont été repérés. L’inauguration d'un grand radiotélescope en Colombie-Britannique en 2018 a propulsé la détection de nouveaux FRBs, quadruplant le nombre de signaux connus en une année seulement, pour un grand total de 535 nouveaux FRBs découverts. Le projet Fast Radio Burst de , une collaboration interuniversitaire dirigée par ±«ÓãÖ±²¥, a assemblé leur premier catalogue CHIME/FRB. Celui-ci sera présenté cette semaine à l’assemblée de la Société Américaine d'Astronomie.

CHIME se distingue des autres radiotélescopes par le fait qu’il observe l'intégralité du ciel nordique à chaque jour. Les signaux captés par les milliers d'antennes de CHIME sont traités en temps réel, procurant ainsi l’avantage d’une sensibilité accrue sur une large gamme de fréquences. Les découvertes réalisées par ce radiotélescope révèlent déjà des indices cruciaux quant aux propriétés des FRBs. Notamment, deux classes de FRBs semblent émerger, se distinguant par la morphologie du sursaut et par la gamme des fréquences radio émises.

Différentes caractéristiques astrophysiques sous-jacentes à des classes distinctives de FRBs?

Parmi les 535 FRBs du tout nouveau catalogue CHIME FRB, les scientifiques ont identifié 18 sources émettant des sursauts de façon répétitive et irrégulière, tandis qu’un seul sursaut a été enregistré chez les autres sources de FRBs. Les FRBs répétitifs sont également différents en apparence : chaque flash dure légèrement plus longtemps et émet des fréquences radio plus focalisées que les sursauts ponctuels, non répétitifs.

« Dans certains cas, une source doit être observée pendant des milliers d'heures pour détecter un seul FRB, tandis que d'autres émettent plus d’un FRBs en l'espace d’une dizaine d'heures », explique Pragya Chawla, doctorante au département de physique de l’Université ±«ÓãÖ±²¥. « Notre échantillon actuel indique qu'il y a des différences significatives entre les propriétés des FRBs répétitifs et celles des non-répétitifs, et les études à venir nous permettront de déterminer si les phénomènes astrophysiques produisant les FRBs chez ces deux types d'événements sont fondamentalement différents ».

Les FRBs sont répartis sur l’ensemble du ciel

À partir des FRBs détectés par CHIME, les scientifiques ont calculé qu’environ 800 FRBs sont produits à chaque jour - l'estimation la plus précise du taux d'occurrence des FRBs à ce jour. Lorsqu'ils ont commencé à cartographier les emplacements des FRBs observés entre 2018 et 2019, les chercheurs ont constaté que les sursauts enregistrés étaient répartis sur l’ensemble du ciel, suggérant que cette population de FRBs ne se situe pas simplement dans notre galaxie, la Voie Lactée, mais qu’elle est plutôt dispersée à travers l'univers. Suite à l'analyse de chacun des 535 FRBs détectés par CHIME, les chercheurs ont conclu que la plupart de ces signaux proviennent de sources très distantes, situées au sein de galaxies lointaines.

Le fait que ces sursauts étaient suffisamment lumineux pour être détectés par CHIME suggère que leurs géniteurs sont extrêmement énergétiques. Alors que les observations et la découverte de nouveaux FRBs se poursuivent, les astronomes espèrent bientôt être en mesure de déterminer l’origine de ces puissants signaux.

« Les FRBs transportent également des informations concernant le gaz qu'ils traversent, ajoute Saurabh Singh, chercheur postdoctoral au Département de physique de ±«ÓãÖ±²¥. Avec l'augmentation significative du nombre de détections s'étalant sur un vaste éventail de distances, les FRBs offrent une nouvelle approche pour examiner la distribution de la matière dans l'univers ».

Lorsqu'un sursaut d’ondes radio se propage dans l’espace entre les galaxies, celui-ci traverse du plasma et gaz interstellaire causant une déformation ou une dispersion de ses fréquences radio. Le degré de dispersion d'un sursaut nous permet d'évaluer la quantité de gaz qu'il a traversé, et peut servir d’indicateur de la distance parcourue par le signal depuis sa source. En se fondant sur la position des sursauts dans le ciel et leurs mesures de dispersion, les chercheurs pourront étudier la distribution du gaz dans l'univers.

Une machine pour détecter des FRBs - à la fois lointains et à proximité

Les scientifiques ne font que commencer à explorer les richesses du monde des FRBs grâce aux observations de CHIME. « Avoir accès à un grand échantillon de FRBs offre d'innombrables possibilités. À titre d'exemple, nous entrons maintenant dans une ère où les FRBs peuvent être utilisés comme sondes cosmologiques », déclare Alex Josephy, doctorant en physique à ±«ÓãÖ±²¥. « Nous pouvons commencer à examiner les structures à grandes échelles de l’univers - des amas de milliers de galaxies. Nous pouvons contribuer aux efforts visant à cartographier la distribution spatiale de la matière sombre dans l’univers et étudier l'évolution de l’univers à travers les âges ».

« Les FRBs provenant de galaxies avoisinantes, tels que certains de ceux décrits dans le premier catalogue CHIME FRB, sont incontestablement les meilleures sources pour tester les hypothèses envisagées quant à l’origine et propriétés des FRBs, ajoute Mohit Bhardwaj, étudiant au doctorat au Département de physique de ±«ÓãÖ±²¥. Si nous voulons en savoir plus sur les FRBs, notamment déterminer s’ils rayonnent également dans la lumière visuelle ou dans les rayons X, les FRBs situés à proximité sont nos meilleurs outils! »

Avec le grand nombre de FRBs continuant de s’ajouter à l'échantillon de CHIME/FRB, les scientifiques visent à établir précisément le ou les types de phénomènes exotiques qui génèrent ces signaux à la fois ultra-brillants et ultra-rapides.

À propos de CHIME

CHIME est constitué de quatre antennes radio de formes cylindriques qui s’apparentent à des demi-lunes de planche à neige, et est situé en Colombie-Britannique au Canada, à l'Observatoire fédéral de radioastrophysique dont les opérations sont dirigées par Conseil national de recherches du Canada. CHIME est complètement stationnaire, ne comportant aucune pièce mobile. Le télescope collecte quotidiennement les signaux provenant de tout l’hémisphère nord de la sphère céleste défilant au-dessus pendant que la Terre tourne. Alors que la grande majorité des radiotélescopes sont de grandes paraboles pouvant être orientées mécaniquement vers différentes parties du ciel pour collecter et concentrer la lumière, le pointage de CHIME est fait de manière électronique, ce qui lui permet d’observer plusieurs portions du ciel simultanément. La lumière radio est concentrée à l'aide d'un corrélateur - un puissant processeur de signalisation numérique capable de supporter et traiter d'énormes quantités de données, à une vitesse d'environ sept térabits par seconde, ce qui équivaut à quelques pourcents du trafic internet mondial.

L’Université ±«ÓãÖ±²¥

Fondée en 1821 à Montréal, au Québec, l’Université ±«ÓãÖ±²¥ figure au premier rang des universités canadiennes offrant des programmes de médecine et de doctorat. Année après année, elle se classe parmi les meilleures universités au Canada et dans le monde. Établissement d’enseignement supérieur renommé partout dans le monde, l’Université ±«ÓãÖ±²¥ exerce ses activités de recherche dans deux campus, 11 facultés et 13 écoles professionnelles; elle compte 300 programmes d’études et au-delà de 40 000 étudiants, dont plus de 10 200 aux cycles supérieurs. Elle accueille des étudiants originaires de plus de 150 pays, ses 12 800 étudiants internationaux représentant 31 % de sa population étudiante. Au-delà de la moitié des étudiants de l’Université ±«ÓãÖ±²¥ ont une langue maternelle autre que l’anglais, et environ 19 % sont francophones.