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Il n’a duré que quelques millisecondes. Pourtant, ce signal radio a traversé l’Univers pendant plus de dix milliards d’années avant d’atteindre la Terre. Grâce à un réseau de radiotélescopes et au télescope spatial James Webb, des astronomes viennent de retrouver la galaxie dont il provient. Mais la véritable surprise n’est peut-être pas seulement son origine. C’est ce que son immense voyage pourrait nous apprendre sur la matière que nous ne voyons pas.
Quelques millisecondes venues du passé
Le 4 mars 2024, en Afrique du Sud, le réseau de radiotélescopes MeerKAT enregistre un événement extraordinaire. Pendant un intervalle de temps extrêmement court, une impulsion d’ondes radio parvient jusqu’à ses antennes. Elle reçoit une désignation qui ressemble davantage à un numéro de dossier qu’au nom d’une découverte spectaculaire : FRB 20240304B. Pourtant, derrière ces quelques lettres et chiffres se cache un phénomène dont l’origine remonte à une époque où notre Soleil, notre Terre et notre Galaxie telle que nous la connaissons aujourd’hui n’avaient pas encore leur configuration actuelle.
Ce signal a été émis alors que l’Univers avait environ trois milliards d’années. Depuis, il a poursuivi sa route à travers l’espace, pendant plus de dix milliards d’années, avant d’être intercepté par nos instruments. Et lorsque les astronomes l’ont détecté, l’événement qui lui avait donné naissance appartenait depuis très longtemps au passé.
Arrêtons-nous un instant sur cette idée. Nous n’avons pas observé une explosion qui se produisait quelque part dans l’Univers au moment où nous la découvrions. Nous avons reçu une information ancienne, transportée par un rayonnement électromagnétique, qui venait seulement de terminer son voyage jusqu’à nous.
Quelques millisecondes d’émission. Plus de dix milliards d’années de voyage.
Comment un événement aussi bref peut-il nous parvenir depuis une distance aussi considérable ? Et surtout, comment les astronomes peuvent-ils retrouver l’origine d’un signal qui a disparu presque aussitôt qu’il est apparu ?
Qu’est-ce qu’un sursaut radio rapide ?
Pour comprendre ce que MeerKAT a détecté, il faut d’abord préciser la nature du phénomène. Les astronomes parlent de sursaut radio rapide, ou FRB, pour Fast Radio Burst. Il s’agit d’une émission intense d’ondes radio dont la durée est généralement de l’ordre de la milliseconde. Une milliseconde représente un millième de seconde : le temps d’un clignement d’œil suffirait donc à contenir des dizaines, voire des centaines de tels événements.
Le mot « radio » pourrait prêter à confusion. Nous pensons spontanément aux émissions que nous écoutons dans une voiture ou sur un téléphone. Mais les ondes radio sont avant tout des ondes électromagnétiques. Elles appartiennent à la même famille physique que la lumière visible, les infrarouges, les ultraviolets ou les rayons X. Ce qui les distingue principalement, c’est leur fréquence et leur longueur d’onde. Un radiotélescope ne cherche donc pas à entendre un son provenant de l’espace. Il mesure un rayonnement électromagnétique que nos yeux sont incapables de percevoir.
Certains sursauts radio rapides sont si énergétiques que leur émission radio, concentrée dans un temps infime, représente une quantité d’énergie considérable. Nous ne savons pourtant pas encore expliquer avec certitude tous les mécanismes capables de produire de telles impulsions. Certains FRB ne sont observés qu’une seule fois ; d’autres se répètent, parfois de manière irrégulière. Cette diversité constitue un indice précieux, mais aussi une difficulté : rien ne garantit que tous les sursauts radio rapides possèdent exactement la même origine physique.
Et voilà une première particularité de cette histoire : nous sommes capables de détecter un phénomène à des distances vertigineuses sans savoir encore précisément ce qui le provoque.
Nous savons qu’un événement a eu lieu. Nous pouvons mesurer son rayonnement. Mais nous cherchons toujours à comprendre ce qui l’a déclenché.
James Webb retrouve une galaxie presque invisible
Lorsque MeerKAT détecte FRB 20240304B, les caractéristiques du signal laissent penser qu’il provient d’une région exceptionnellement lointaine de l’Univers. Les astronomes parviennent à localiser sa direction avec une grande précision. Mais une difficulté demeure : à cet emplacement du ciel, les observations réalisées avec de puissants télescopes terrestres ne révèlent pas clairement la galaxie recherchée.
C’est ici qu’intervient le télescope spatial James Webb. Il faut cependant éviter une confusion fréquente : Webb n’a pas détecté le sursaut radio lui-même. Ce sont les radiotélescopes qui ont enregistré cette impulsion. Webb a ensuite observé la région du ciel d’où elle provenait, afin de rechercher la galaxie susceptible de l’avoir émise.
Grâce à son instrument NIRCam, sensible au proche infrarouge, Webb identifie une petite galaxie à l’emplacement attendu. Son spectrographe NIRSpec permet ensuite de mesurer son décalage vers le rouge, avec une valeur de 2,148. Cette mesure confirme que nous observons cette galaxie telle qu’elle était lorsque l’Univers avait environ trois milliards d’années.
Le décalage vers le rouge mérite ici une courte explication. À mesure que l’Univers se dilate, la longueur d’onde de la lumière qui le traverse s’étire avec l’expansion de l’espace. En étudiant le déplacement de signatures spectrales connues, notamment celles de certains éléments chimiques, les astronomes peuvent déterminer ce décalage et, à l’aide d’un modèle cosmologique, en déduire l’époque à laquelle la lumière a été émise.
Webb n’a donc pas simplement découvert une faible tache lumineuse. Il a permis d’associer un signal radio à une galaxie et de replacer cette dernière dans l’histoire cosmique. Mais le plus étonnant restait à venir.
Une petite galaxie là où l’on attendait une histoire différente
La galaxie identifiée par Webb n’a rien d’un immense ensemble stellaire comparable à notre Voie lactée. C’est une galaxie naine, relativement petite, qui connaît une activité importante de formation d’étoiles. Elle possède également une faible abondance d’éléments chimiques plus lourds que l’hélium, ce que les astrophysiciens désignent par une faible métallicité.
Le terme peut surprendre. En astrophysique, un « métal » ne désigne pas uniquement le fer, le cuivre ou l’aluminium. Il désigne, par convention, tout élément plus lourd que l’hélium, y compris le carbone et l’oxygène. Une galaxie pauvre en métaux est donc une galaxie dont la matière a été relativement peu enrichie par les générations précédentes d’étoiles.
Pourquoi cette découverte intéresse-t-elle autant les chercheurs ? Parce que les caractéristiques de cette petite galaxie suggèrent que des phénomènes capables de produire des sursauts radio rapides existaient déjà dans des environnements stellaires jeunes, à une époque relativement ancienne de l’Univers. Cela fournit de nouveaux indices sur les objets susceptibles d’être responsables de ces émissions. Parmi les candidats les plus sérieux figurent des astres particulièrement extraordinaires : les magnétars.
Et si le signal provenait d’un vestige d’étoile ?
Pour comprendre ce qu’est un magnétar, il faut revenir à la fin de la vie de certaines étoiles massives. Lorsqu’une telle étoile épuise les possibilités de fusion nucléaire qui soutenaient son cœur, celui-ci peut s’effondrer brutalement. Dans certaines conditions, cet effondrement conduit à la formation d’une étoile à neutrons.
Imaginez un objet dont la masse est comparable à celle du Soleil, mais concentrée dans une sphère d’une vingtaine de kilomètres de diamètre. Sa matière atteint des densités considérables, très éloignées de celles que nous rencontrons dans notre environnement quotidien. La physique de ces objets fait intervenir la gravitation, les interactions nucléaires et des états de la matière qui ne peuvent pas être reproduits dans leur ensemble en laboratoire.
(Pour comprendre comment une étoile peut évoluer jusqu’à laisser derrière elle une étoile à neutrons, une naine blanche ou, dans certaines conditions, un trou noir, nous invitons le lecteur à découvrir l’Exploration « Naissance, vie et mort des étoiles », déjà disponible dans Le Regard de La Voûte Étoilée.)
Parmi les étoiles à neutrons, certaines possèdent des champs magnétiques d’une intensité exceptionnelle. Ce sont les magnétars. Leur champ magnétique peut être des milliards de fois plus intense que celui des aimants que nous utilisons dans la vie courante. Dans leur environnement extrême, des réorganisations magnétiques et d’autres processus encore étudiés peuvent libérer de grandes quantités d’énergie. Les magnétars constituent ainsi une piste majeure pour expliquer au moins une partie des sursauts radio rapides.
Cette hypothèse possède des arguments observationnels solides : des émissions radio extrêmement brèves ont déjà été associées à un magnétar situé dans notre propre Galaxie. Mais il serait prématuré d’en conclure que chaque FRB, et notamment FRB 20240304B, provient nécessairement d’un magnétar. L’identification de la galaxie hôte ne permet pas, à elle seule, d’identifier l’astre responsable.
La découverte de Webb apporte donc un indice supplémentaire, pas une preuve définitive. Et pourtant, même si nous ne parvenions jamais à identifier précisément l’objet qui a émis ce signal, son voyage conserverait un intérêt scientifique immense.
Un signal qui ne traverse pas le vide sans être transformé
Nous avons jusqu’ici considéré le sursaut radio rapide comme une information provenant d’un événement lointain. Mais imaginons maintenant son parcours. Pour parvenir jusqu’à la Terre, ses ondes ont traversé l’environnement de leur galaxie d’origine, puis d’immenses régions de l’espace intergalactique, avant de rencontrer la matière de notre propre Galaxie.
Cet espace nous semble presque entièrement vide. Pourtant, il n’est pas absolument dépourvu de matière. Il contient notamment du gaz extrêmement diffus, dont une partie est ionisée : des électrons se trouvent alors séparés des noyaux atomiques auxquels ils étaient initialement liés. Or ces électrons libres peuvent modifier la propagation des ondes radio.
C’est ici qu’apparaît une propriété remarquable des sursauts radio rapides. Les différentes fréquences qui composent leur émission ne nous parviennent pas exactement au même moment. Les fréquences radio les plus basses subissent, dans un plasma, un retard plus important que les fréquences élevées. Les astronomes appellent ce phénomène la dispersion.
Il ne s’agit pas simplement de dire que le signal s’est affaibli au cours de son voyage. Sa structure temporelle porte une trace mesurable de la matière ionisée qu’il a traversée. En comparant les temps d’arrivée de différentes fréquences, les chercheurs peuvent déterminer une grandeur appelée mesure de dispersion, liée à la quantité totale d’électrons libres rencontrés le long de la ligne de visée.
Le principe est presque déroutant : une matière trop diffuse pour être observée facilement peut néanmoins laisser une signature dans le temps d’arrivée d’un rayonnement.
Ce que nous ne pouvons pas voir directement peut modifier ce que nous recevons. Et cette modification devient une information.
Comment mesurer une matière que nous ne voyons pas ?
Prenons une image simple. Imaginez qu’un voyageur parte d’un lieu très éloigné avec un vêtement parfaitement blanc. À son arrivée, nous découvrons des traces de poussière, d’humidité et de pollen. Sans avoir observé directement chaque étape de son trajet, nous pouvons déduire certaines caractéristiques des environnements qu’il a traversés.
Un sursaut radio rapide n’est évidemment pas un voyageur, et les mécanismes physiques en jeu sont différents. Mais l’idée est comparable : le rayonnement que nous recevons ne porte pas uniquement des informations sur son émission. Il porte aussi les effets des milieux traversés.
Dans le cas des FRB, cette information concerne notamment les électrons libres. Or une partie importante de la matière ordinaire de l’Univers se trouve sous la forme de gaz très diffus, difficile à observer directement. Cette matière est constituée de baryons, c’est-à-dire principalement de protons et de neutrons assemblés dans les noyaux atomiques, accompagnés d’électrons lorsque la matière est électriquement neutre ou ionisée.
Les cosmologistes disposent de plusieurs méthodes pour estimer la quantité de matière ordinaire présente dans l’Univers. Mais lorsqu’ils cherchent à en dresser l’inventaire dans l’Univers relativement proche, une partie de cette matière demeure difficile à localiser par les observations classiques. Elle n’est pas nécessairement absente : elle peut être répartie dans des régions si diffuses que leur rayonnement est extrêmement faible.
Les sursauts radio rapides offrent alors une méthode complémentaire pour étudier cette matière. Lorsqu’on connaît la distance de leur galaxie d’origine, on peut comparer la dispersion mesurée à celle attendue pour un trajet cosmologique donné. Il faut toutefois tenir compte des contributions de notre Galaxie, de la galaxie hôte et du milieu intergalactique. Une seule observation ne permet donc pas de dresser une carte précise de toute la matière rencontrée.
En revanche, l’étude statistique de nombreux sursauts radio rapides, provenant de distances et de directions différentes, peut aider à mieux connaître la répartition du gaz ionisé dans l’Univers.
Une précision est essentielle : cette technique ne constitue pas une détection directe de la matière noire. Elle renseigne principalement sur la matière ordinaire ionisée, dont les électrons influencent la propagation des ondes radio. Confondre cette matière difficile à observer avec la matière noire serait une erreur physique importante.
Nous découvrons ainsi une seconde dimension de notre signal. Il ne nous parle plus seulement de l’astre qui l’a produit. Il devient aussi un instrument pour explorer la matière dispersée dans l’espace.
Pourquoi connaître sa distance change tout
Revenons à FRB 20240304B. Pourquoi les astronomes avaient-ils autant besoin de retrouver sa galaxie d’origine ? Après tout, le sursaut avait déjà été détecté et sa dispersion mesurée. N’était-ce pas suffisant ?
Non, précisément parce qu’une mesure ne prend toute sa signification que lorsqu’on peut la relier à d’autres informations indépendantes.
La dispersion d’un sursaut radio rapide renseigne sur les électrons rencontrés, mais elle ne fournit pas, à elle seule, une distance parfaitement déterminée. Une contribution importante du milieu proche de la source peut, par exemple, compliquer l’interprétation. En identifiant la galaxie hôte et en mesurant son décalage vers le rouge, Webb apporte une information essentielle : une distance cosmologique indépendante de la seule propagation radio.
Les chercheurs disposent alors de deux regards complémentaires sur le même événement. D’un côté, les radiotélescopes mesurent le signal, ses fréquences, son intensité et sa dispersion. De l’autre, Webb étudie la galaxie dans laquelle l’événement s’est produit et replace cette observation dans l’histoire de l’Univers.
Ce rapprochement permet de mieux étudier à la fois les sources des FRB et les milieux traversés par leurs émissions. Il ne signifie pas que ce sursaut particulier a, à lui seul, permis de mesurer toute la matière invisible de l’Univers. Mais il étend considérablement le domaine dans lequel ces méthodes peuvent être mises à l’épreuve.
Et il nous rappelle une règle fondamentale de la recherche scientifique : une observation devient souvent beaucoup plus puissante lorsqu’elle est confrontée à une autre, obtenue par une méthode différente.
L’Univers nous parle-t-il seulement par ce qu’il montre ?
Depuis le début de cette histoire, nous avons suivi un événement dont nous ne possédons aucune photographie directe. Nous avons reçu une impulsion radio, mesuré ses propriétés, identifié sa direction, retrouvé une galaxie extrêmement lointaine et commencé à interpréter ce que cette émission nous apprend sur son environnement et sur l’espace qu’elle a traversé.
À aucun moment nos yeux n’auraient pu accomplir seuls ce travail. Ils ne perçoivent ni les ondes radio enregistrées par MeerKAT ni les rayonnements infrarouges étudiés par Webb. Ils ne peuvent pas davantage observer directement les électrons extrêmement dispersés entre les galaxies.
Et pourtant, grâce à des instruments, à des modèles physiques et à des mesures confrontées les unes aux autres, nous parvenons à accéder à une réalité qui échappe entièrement à notre perception immédiate.
Il y a ici quelque chose qui dépasse largement l’astronomie. Dans notre vie quotidienne, nous avons tendance à associer la connaissance à ce que nous pouvons voir, toucher ou entendre. La physique nous apprend au contraire qu’une grande partie de ce que nous connaissons du monde provient d’effets mesurables plutôt que d’une observation directe des objets eux-mêmes.
Nous ne voyons pas directement un champ magnétique. Nous étudions ses effets. Nous ne regardons pas un électron comme nous regarderions une bille. Nous observons des interactions, des trajectoires reconstruites, des échanges d’énergie et des signatures expérimentales.
De la même manière, un signal radio venu de l’Univers ancien peut nous révéler l’existence d’une matière que nous ne pourrions pas photographier aisément.
Nous ne voyons pas toujours ce que nous cherchons à connaître. Parfois, nous voyons seulement ce que sa présence transforme.
Et si le voyage était aussi important que l’origine ?
Lorsque FRB 20240304B a été émis, il y a plus de dix milliards d’années, il ne transportait évidemment aucun message destiné à la Terre. Il était le résultat d’un phénomène astrophysique encore imparfaitement compris. Pendant son immense voyage, ses ondes ont traversé des régions dont la matière a modifié leur propagation. Puis, un jour de mars 2024, une partie de ce rayonnement est parvenue jusqu’aux antennes de MeerKAT.
Deux ans plus tard, les observations du télescope James Webb ont permis de retrouver la petite galaxie dans laquelle cet événement s’était produit. Une galaxie si lointaine et si peu lumineuse qu’elle avait échappé aux premières recherches. Une galaxie qui nous apparaît aujourd’hui telle qu’elle était dans la jeunesse de l’Univers.
Mais la découverte ne ferme pas l’enquête. Nous ne savons toujours pas avec certitude quel objet a produit ce sursaut. Nous devons encore comprendre comment ces émissions naissent, pourquoi certaines se répètent et dans quelle mesure elles pourront nous aider à reconstituer la distribution de la matière cosmique.
C’est peut-être ce qui rend cette histoire si fascinante.
Nous cherchions l’origine d’un signal. Nous avons retrouvé une galaxie. Et nous avons découvert, une fois encore, que le rayonnement qui nous parvient du cosmos ne raconte pas seulement l’histoire de sa source.
Il raconte aussi quelque chose de l’espace et du temps qui nous en séparent.
Et nous, dans cette immensité ?
Posés, sur une planète ordinaire, autour d’une étoile parmi des milliards d’autres, nous avons construit des instruments capables de recevoir une impulsion émise bien avant la naissance de notre Soleil. Nous avons appris à mesurer les traces laissées par une matière que nos yeux ne distinguent pas, à retrouver une galaxie presque invisible et à interroger des événements dont les causes nous échappent encore. Notre place dans l’Univers n’en devient pas plus centrale. Mais elle acquiert une dimension singulière : nous sommes une infime partie de cet Univers qui, par la connaissance, parvient à explorer sa propre histoire.
Alors, lorsque nous observons l’Univers, regardons-nous uniquement ce qui s’y trouve ? Ou apprenons-nous aussi à lire les traces de tout ce qui nous échappe ?
Pour prolonger le voyage Pour prolonger cette réflexion, Le Regard de La Voûte Étoilée propose des Explorations scientifiques accessibles à tous, notamment « Naissance, vie et mort des étoiles », consacrée aux mécanismes physiques qui conduisent les étoiles à se former, à évoluer et à laisser derrière elles des vestiges parfois extraordinaires.
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