Utilisant un mystère cosmique pour en sonder un autre, les astronomes ont analysé le signal d'un sursaut radio rapide, une explosion énigmatique d'ondes radio cosmiques d'une durée inférieure à une milliseconde, caractériser le gaz diffus dans le halo d'une galaxie massive.

Un vaste halo de gaz de faible densité s'étend bien au-delà de la partie lumineuse d'une galaxie où se concentrent les étoiles. Bien que ce chaud, le gaz diffus constitue plus de la masse d'une galaxie que les étoiles, c'est presque impossible à voir. En novembre 2018, les astronomes ont détecté un sursaut radio rapide qui a traversé le halo d'une galaxie massive en route vers la Terre, leur permettant pour la première fois d'obtenir des indices sur la nature du gaz halo à partir d'un signal radio insaisissable.

"Le signal du sursaut radio rapide a exposé la nature du champ magnétique autour de la galaxie et la structure du gaz halo. L'étude prouve une nouvelle technique transformatrice pour explorer la nature des halos galactiques, " a déclaré J. Xavier Prochaska, professeur d'astronomie et d'astrophysique à l'UC Santa Cruz et auteur principal d'un article sur les nouvelles découvertes publié en ligne le 26 septembre dans Science .

Les astronomes ne savent toujours pas ce qui produit des sursauts radio rapides, et ce n'est que récemment qu'ils ont pu retracer certains de ces très courts, des signaux radio très lumineux vers les galaxies dont ils sont originaires. Le sursaut de novembre 2018 (nommé FRB 181112) a été détecté et localisé par l'instrument pionnier de cette technique, Le radiotélescope australien ASKAP (Australian Square Kilometer Array Pathfinder) du CSIRO. Des observations de suivi avec d'autres télescopes ont identifié non seulement sa galaxie hôte, mais aussi une galaxie brillante devant elle.

« Quand nous avons superposé les images radio et optiques, nous avons pu voir tout de suite que le sursaut radio rapide a percé le halo de cette galaxie coïncidente au premier plan et, pour la première fois, nous avions un moyen direct d'enquêter sur cette matière autrement invisible entourant cette galaxie, " a déclaré la co-auteur Cherie Day à l'Université de technologie de Swinburne, Australie.

Un halo galactique contient à la fois de la matière noire et de la matière ordinaire ("baryonique"), qui devrait être principalement du gaz ionisé chaud. Alors que la partie lumineuse d'une galaxie massive pourrait être d'environ 30, 000 années-lumière de diamètre, son halo à peu près sphérique est dix fois plus grand. Le gaz halo alimente la formation d'étoiles lorsqu'il tombe vers le centre de la galaxie, tandis que d'autres processus (tels que les explosions de supernova) peuvent éjecter de la matière hors des régions de formation d'étoiles et dans le halo galactique. L'une des raisons pour lesquelles les astronomes veulent étudier le halo gazeux est de mieux comprendre ces processus d'éjection, qui peut arrêter la formation d'étoiles.

"Le halo gazeux est un enregistrement fossile de ces processus d'éjection, nos observations peuvent donc éclairer les théories sur la façon dont la matière est éjectée et la façon dont les champs magnétiques sont passés à travers les galaxies, " a déclaré Prochaska.

Contrairement aux attentes, les résultats de la nouvelle étude indiquent une très faible densité et un faible champ magnétique dans le halo de cette galaxie intermédiaire.

"Le halo de cette galaxie est étonnamment tranquille, " dit Prochaska. " Le signal radio n'a pas été perturbé par la galaxie, ce qui contraste fortement avec ce que les modèles précédents prédisent qu'il serait arrivé à l'éclatement."

Le signal de FRB 181112 était composé de plusieurs impulsions, chacune dure moins de 40 microsecondes (dix mille fois plus courte qu'un clignement d'œil). La courte durée des impulsions met une limite supérieure à la densité du gaz halo, car le passage dans un milieu plus dense allongerait les signaux radio. Les chercheurs ont calculé que la densité du halo gazeux doit être inférieure à un dixième d'atome par centimètre cube (équivalent à plusieurs centaines d'atomes dans un volume de la taille d'un ballon d'enfant).

"Comme l'air scintillant par une chaude journée d'été, l'atmosphère ténue de cette galaxie massive devrait déformer le signal du sursaut radio rapide. Au lieu de cela, nous avons reçu une impulsion si pure et nette qu'il n'y a aucune signature de ce gaz, " a déclaré le coauteur Jean-Pierre Macquart, astronome au Centre international de recherche en radioastronomie de l'Université Curtin, Australie.

Les contraintes de densité limitent également la possibilité de turbulences ou de nuages ​​de gaz froid au sein du halo ("cool" étant un terme relatif, se référant ici à des températures autour de 10, 000 Kelvin, contre le gaz halo chaud à environ 1 million de Kelvin). "Un modèle privilégié est que les halos sont envahis par des nuages ​​de gaz agglomérés. Nous ne trouvons aucune preuve de ces nuages, " a déclaré Prochaska.

Le signal FRB fournit également des informations sur le champ magnétique dans le halo, qui affecte la polarisation des ondes radio. L'analyse de la polarisation en fonction de la fréquence donne une "mesure de rotation" pour le halo, que les chercheurs ont trouvé très faible. "Le faible champ magnétique dans le halo est un milliard de fois plus faible que celui d'un aimant de réfrigérateur, " a déclaré Prochaska.

À ce point, avec les résultats d'un seul halo galactique, les chercheurs ne peuvent pas dire si la densité et la force du champ magnétique étonnamment faibles sont inhabituelles ou si des études antérieures sur les halos galactiques ont surestimé ces propriétés. ASKAP et d'autres radiotélescopes utiliseront des sursauts radio rapides pour étudier de nombreux autres halos galactiques et résoudre leurs propriétés.

"Cette galaxie est peut-être spéciale, " a déclaré Prochaska. "Nous devrons utiliser des FRB pour étudier des dizaines ou des centaines de galaxies sur une gamme de masses et d'âges afin d'évaluer la population complète."