Sursaut radio rapide : Webb remonte à 10,6 milliards d'années

Un sursaut radio rapide dure quelques millisecondes. En ce clignement, il libère autant d'énergie que le Soleil en plusieurs jours. Le 4 mars 2024, un de ces flashs a frappé nos antennes. Il s'appelle FRB 20240304B, et l'équipe qui a passé deux ans à traquer son origine vient de publier sa réponse dans Science : il a été émis il y a 10,6 milliards d'années, alors que l'Univers n'en comptait que trois. Le record de distance pour un sursaut radio rapide dont on identifie la galaxie hôte est plus que doublé d'un coup.

Le flash, et la course au point d'origine

Un FRB brut n'est pas très bavard. Un radiotélescope enregistre une impulsion violente, mesure sa dispersion — l'étalement du signal selon la fréquence, qui donne une idée de la quantité de matière traversée — et c'est à peu près tout. Sans position précise sur le ciel, impossible de dire ce qui l'a produit.

D'où la méthode en deux temps devenue le standard du domaine :

• localiser le sursaut le plus finement possible grâce à des réseaux d'antennes travaillant en interférométrie, qui ramènent l'incertitude de plusieurs minutes d'arc à une fraction de seconde d'arc ;
• pointer ensuite un grand télescope optique ou infrarouge sur cette minuscule parcelle de ciel pour y chercher la galaxie responsable.

Pour FRB 20240304B, l'étape deux était hors de portée des instruments au sol. À un décalage spectral correspondant à un Univers de 3 milliards d'années, la galaxie hôte est à la fois ténue et décalée vers l'infrarouge par l'expansion cosmique. C'est précisément le terrain de jeu du télescope spatial James-Webb, qui a fini par révéler une source faible exactement là où il fallait.

Une naine là où on attendait une géante

La surprise n'est pas la distance. C'est l'adresse.

La galaxie hôte est une naine d'environ 10 millions de masses solaires — autant dire une poussière à l'échelle galactique, quand notre Voie lactée en compte plusieurs centaines de milliards. Elle est en outre pauvre en éléments lourds et traversée par une formation d'étoiles intense.

Trois éléments qui, mis bout à bout, dessinent un portrait très particulier :

• peu de métaux signifie un gaz encore proche de sa composition primordiale, à peine enrichi par les générations stellaires précédentes ;
• une formation stellaire intense signifie beaucoup d'étoiles massives, jeunes, à la durée de vie courte ;
• une faible masse signifie un puits de gravité modeste, incapable de retenir longtemps ses gaz.

Les modèles qui dominaient le domaine cherchaient plutôt les FRB lointains dans de grandes galaxies massives et évoluées. Raté.

Magnétars contre fusions d'étoiles à neutrons

L'intérêt de ce portrait, c'est qu'il tranche dans un débat vieux de dix ans sur l'origine des sursauts radio rapides. Deux familles de scénarios s'affrontent.

• Les magnétars. Des étoiles à neutrons au champ magnétique monstrueux, nées de l'effondrement d'une étoile massive. Elles se forment vite — quelques millions d'années après la naissance de leur étoile mère — et se trouvent donc là où les étoiles naissent en masse.
• Les objets issus de fusions compactes. Collisions d'étoiles à neutrons, par exemple. Ces événements supposent un système binaire qui spirale pendant des centaines de millions, voire des milliards d'années avant de fusionner. Ce délai les rend impossibles, ou du moins très improbables, dans un Univers jeune de 3 milliards d'années.

Une galaxie naine en pleine flambée de formation stellaire, pauvre en métaux, à cette époque cosmique : tout pointe vers le premier scénario. Les métaux rares favorisent d'ailleurs la formation d'étoiles très massives, donc de magnétars. Le signal arrive trop tôt dans l'histoire de l'Univers pour les lents mécanismes de fusion.

L'étude, dirigée par Manisha Caleb à l'université de Sydney, ne clôt pas le dossier — il reste très probable que plusieurs mécanismes différents produisent des FRB. Mais elle déplace fortement le curseur.

Pourquoi les astronomes tiennent tant à ces flashs

Derrière la chasse aux records se cache un usage bien plus utile : un FRB est une sonde. En traversant l'espace intergalactique, l'onde radio est freinée par chaque électron libre rencontré. Les basses fréquences arrivent après les hautes, et ce retard mesure la densité de matière ionisée sur toute la ligne de visée.

Concrètement, cela donne un outil pour :

• peser la matière baryonique manquante. Une fraction notable de la matière ordinaire de l'Univers n'est pas dans les galaxies mais dispersée en filaments ténus entre elles, trop froide et trop diffuse pour être vue directement. Les FRB la comptent sans la voir.
• cartographier les halos de gaz autour des galaxies, en comparant la dispersion de sursauts dont la ligne de visée passe plus ou moins près d'une structure connue.
• sonder des époques de plus en plus reculées. Chaque record de distance étend la portée temporelle de cette mesure. Avec 10,6 milliards d'années, on atteint une période où les galaxies étaient en pleine construction.

C'est là tout l'enjeu : un FRB lointain n'intéresse pas seulement les spécialistes des FRB. Il intéresse quiconque veut savoir où est passée la matière de l'Univers.

Ce qui reste à faire

Quelques réserves honnêtes, parce qu'un record se vérifie.

• Un objet n'est pas une statistique. Une galaxie naine ne prouve pas que tous les FRB lointains viennent de galaxies naines. Il faut une dizaine de localisations à grande distance avant de parler de population.
• L'association reste probabiliste. Identifier une galaxie hôte consiste à estimer la probabilité qu'une source faible située dans la boîte d'erreur soit bien la bonne, et non un objet d'avant-plan qui traîne au mauvais endroit.
• Aucune contrepartie directe n'a été vue. On a la maison, pas l'habitant. Le magnétar lui-même reste hors de portée.

La prochaine étape est déjà lancée : les nouveaux réseaux d'antennes multiplient les détections avec une localisation suffisante pour un suivi, et le JWST n'aura pas trop de temps d'observation pour suivre. D'ici quelques années, le comptage ne portera plus sur un sursaut exceptionnel mais sur des dizaines, répartis le long de l'histoire cosmique.

Une impulsion de quelques millisecondes partie quand la Terre n'existait pas, arrivée un lundi de mars dans une antenne terrestre, reconduite à une galaxie minuscule par un télescope posté à un million et demi de kilomètres de nous. Le résultat tient en une ligne dans Science. Le chemin, lui, fait 10,6 milliards d'années.