Une accélération extrême du plasma dans des ondes de choc géantes offre une nouvelle explication aux sursauts radio rapides

L’origine violente des signaux fantômes

C’est une énigme qui tient les astronomes en haleine depuis plus d’une décennie : d’où viennent les sursauts radio rapides (FRB) ? Ces flashs d’ondes radio, ne durant que quelques millisecondes mais libérant une énergie colossale, nous parviennent des confins du cosmos. Une nouvelle étude publiée dans Physical Review Letters apporte une réponse potentielle fascinante : les « chocs monstres ». Pour la première fois, des scientifiques ont réalisé des simulations globales de ces phénomènes extrêmes se produisant dans l’environnement immédiat des magnétars.

Les magnétars sont de jeunes étoiles à neutrons dotées de champs magnétiques défiant l’imagination, atteignant jusqu’à 10 puissance 15 Gauss en surface. Dominic Bernardi, étudiant diplômé à l’Université Washington de Saint-Louis et auteur principal de l’étude, rappelle le contexte violent de ces astres : « Les magnétars sont jeunes, typiquement âgés de quelques milliers d’années seulement. Leur intérieur ne s’est pas encore stabilisé après leur formation chaotique et peut propulser de puissantes ondes dans le plasma qui les entoure. » Le lien entre ces astres et les FRB s’était déjà renforcé en 2020 avec l’observation d’un double sursaut, radio et rayons X, provenant du magnétar galactique SGR 1935+2154.

L’effet « aspirateur » : une accélération cosmique

Comment une onde se transforme-t-elle en un « choc monstre » ? Le processus décrit par les chercheurs est mécanique. Des ondes magnétosoniques rapides naissent de tremblements d’étoiles ou de mouvements de la croûte du magnétar. À mesure que ces ondes s’éloignent de l’étoile, leur amplitude diminue, mais le champ magnétique environnant faiblit encore plus vite. Résultat : l’onde devient proportionnellement gigantesque par rapport à son environnement et se raidit pour former un choc d’une violence inouïe.

Dominic Bernardi utilise une analogie parlante pour décrire ce mécanisme unique : « Le plasma situé devant le choc est ‘aspiré’ dans le front de choc comme par un aspirateur. » C’est durant cette phase d’aspiration que la matière est accélérée à des énergies extrêmes. Cette énergie est ensuite brutalement libérée lorsque le plasma accéléré percute le choc.

Pour comprendre ce phénomène, l’équipe a dû relever un défi technique majeur : concevoir une simulation capable de gérer simultanément la structure globale de la magnétosphère et la physique microscopique du plasma. Grâce au code informatique Aperture et à des grilles de calcul logarithmiques, ils ont réalisé les premières simulations globales 2D de type « particle-in-cell » (PIC). Ces travaux révèlent que l’émission radio cohérente, celle que nous captons sous forme de FRB, ne peut se produire que dans une bande étroite proche de l’équateur magnétique, entre 7 et 23 degrés de latitude.

Quand la simulation rejoint l’observation

La validité d’un modèle se mesure à sa capacité à prédire le réel. En appliquant leurs résultats aux données connues, les chercheurs ont trouvé des correspondances frappantes. Pour un magnétar typique émettant un sursaut X, le mécanisme des « chocs monstres » prédit une émission radio picotant autour de 0,22 GHz. Mais pour le cas précis de SGR 1935+2154, le magnétar à l’origine du FRB 200428, le modèle prévoyait une fréquence d’environ 1,4 GHz.

Les observations réelles réalisées par le radiotélescope STARE2 ont relevé une fréquence située entre 1,281 et 1,468 GHz. « Après cette extrapolation, beaucoup d’éléments concordent bien avec les observations », note Dominic Bernardi. Contrairement à la physique des chocs traditionnels, jugée trop inefficace dans ces environnements magnétiques pour expliquer les FRB, l’effet d’aspiration des chocs monstres booste l’efficacité de l’émission cohérente.

De plus, l’étude indique que plusieurs chocs peuvent être lancés successivement, créant des sous-structures dans les signaux sur des échelles de temps d’environ 0,6 milliseconde, un détail fin également repéré dans certaines observations réelles.

Des zones d’ombre persistent

Si le mécanisme semble prometteur pour une partie des sursauts radio rapides, il ne constitue pas encore une explication universelle. Les chercheurs soulignent des limites pour les sursauts cosmologiques extrêmement lumineux, comme FRB 20220610A (10 puissance 45 erg/s). Dans ces cas extrêmes, l’environnement deviendrait si dense qu’il formerait une boule de feu optiquement épaisse, empêchant probablement les ondes radio de s’échapper de la magnétosphère.

Dominic Bernardi reste prudent mais optimiste : « Nos résultats renforcent l’association des chocs monstres aux sursauts radio rapides. » Les prochaines étapes consisteront à mener des simulations à plus grande échelle pour comprendre comment ces ondes parviennent à quitter l’environnement de l’étoile et à étudier les rayonnements X et gamma incohérents qui devraient accompagner ces phénomènes.

Selon la source : phys.org

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