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Vers la découverte des sources et des mécanismes de production des rayons cosmiques HST Damien Dornic (CPPM)

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1 Vers la découverte des sources et des mécanismes de production des rayons cosmiques HST Damien Dornic (CPPM)

2 Un mot sur lorigine des RC … Basse et haute énergie Sources galactiques ??? (Supernovae, microquasars…) Ultra haute énergie ?????

3 Nature des RC 99 % de noyaux 1 % délectrons 89 % de H 10 % de He 1 % de noyaux lourds Flux: ~ 4 RC/cm²/s 1 kg/an (~40000 tonnes/an de météorites) A basse et haute énergie : A ultra haute énergie : ?% noyaux ?% protron + ????

4 Unités et ordre de grandeurs Unités: Distance: parsec (pc) m al Taille de la galaxie: Distance à la plus proche étoile: 1.3 pc (4.22 al) Champ magnétique: gauss (G) T Terrestre ~0.5 G MIS ~ 10 µ - 10 nG Etoile à neutron: ~ G IRM ~10 5 G ~50 kpc ~1 kpc

5 Unités et ordre de grandeurs Vitesse: célérité (c) m/s Masse: masse solaire (M 0 ) kg x M Terre Masse dun trou noir: ~ M 0 Unités: Energie: électron-volt (eV) J (1 PeV = eV; 1EeV = eV) 7 TeV: energie des protons du LHC 200 MeV: energie libérée lors de la réaction de fission de 235 U

6 Histoire des rayons cosmiques Accélération dans les sources Transport dans les turbulences magnétiques ObservablesSources

7 Accélération des rayons cosmiques HST

8 Pour accélérer… … un réservoir dénergie Mais dans le milieu interstellaire, la densité de matière est si faible quil est impossible de transférer de lénergie par simple choc. Les interactions se produisent grâce aux champs EM On parlera donde de choc mais ce sera toujours des chocs non collisionnels Énergie cinétique translation (chocs, nuages en mvt accélération de Fermi) Rotation (pulsars, trous noirs, étoiles à neutrons) Énergie gravitationnelle via laccrétion… Énergie électromagnétique (EM) turbulence, compression, rotation daimants…

9 Accélération des particules chargées uniquement ! (Force de Lorentz) Neutrons, photons et neutrinos du RC sont donc des particules secondaires produites par l'interaction entre des protons ou des noyaux énergétiques et le milieu ambiant. in fine, les particules gagnent de lénergie grâces aux champs EM Transfert dénergie

10 2- Champs Magnétique B Hyper importants Omniprésents: milieu interstellaire, étoiles, disques daccrétion, dans les jets… Sources: mouvements à grande échelle de milieux ionisés génération de champs magnétiques, nuages magnétisés... turbulence du MIS turbulence magnétique, inhomogénéités de B, ondes plasma Champs électrique E Dans le milieu interstellaire ~ 0 (MIS conducteur et neutre) + champs transitoires (reconnexion magnétique dans les éruptions solaires) Champs E et B dans lUnivers

11 Échange dénergie entre des particules individuelles et des structures macroscopiques possibles amis efficaces Quelques particules peuvent acquérir de très hautes énergies ! Cest lessence du mécanisme original proposé par Fermi en 1949

12 Comment est-ce possible? Les champs B ne travaille pas ! Champ magnétique et accélération Champs B variables Loi de Maxwell-Faraday apparition de champs E transitoires transmission de lénergie aux particules. Grâce à la relativité, Changement de référentiel B pur est vu comme un E pur

13 Illustration du mécanisme de Fermi Trajectoires dune particule chargée: - Sans B ligne droite - Avec B courbe Exemple du miroir magnétique:

14 rebond = vitesse inchangée Comment accélérer une balle et jouer au tennis ? v v v v Même chose pour une raquette immobile… Balle de tennis rebondissant sur un mur Ni gain, ni perte dénergie Une analogie simple

15 v V v + 2V Vitesse inchangée par rapport à la raquette accélération par double changement de référentiel Amortie v V v - 2V Décélération des particules… Raquette en mouvement Ni gain ni perte dénergie... dans le réf. de la raquette !

16 Lessence de laccélération stochastique de Fermi Quand une particule est réfléchie sur un miroir magnétique venant vers elle (collision frontale), elle gagne de lénergie Quand une particule est réfléchie sur un miroir magnétique séloignant delle (collision fuyante), elle perd de lénergie Les collisions frontales sont plus fréquentes que les celles fuyantes Gain dénergie net, en moyenne (processus stochastique) Les particules chargées interagissent avec des nuages magnétiques (en mouvement désordonné dans le MIS) qui peuvent les réfléchir.

17 Transport des rayons cosmiques de la source à la Terre HST

18 Transport des rayons cosmiques Champ magnétique Les irrégularités de B permettent laccélération et le transport des RC Mais, aussi limite la propagation des RC (perte dénergie)

19 Propagation non rectiligne ! Avec B trajectoire courbée avec un rayon de giration donné par Confinement des particules:

20 Regime diffusif Propagation quasi-rectiligne Régime balistique Retour sur les trajectoires des RC

21 Premiers pas vers lastronomie sans photon !!! Expérience: Observatoire Pierre Auger (Argentine) (surface ~3000 km²) Anisotropie du ciel à UHE (cf présentation Auger)

22 Sources des rayons cosmiques Les RC sont accélérés à lintérieur des sources puis ils se propagent jusquà nous Les sources sont galactiques jusquà une énergie de PeV (confinement) Au-delà, ils sont dorigine extragalactique Les RC seront accélérés dans les sources tant quils restent confiner dans ces sources Sources de UHE: extrêmement magnétisées Energie maximale: compétition entre accélération, échappement et pertes dénergie

23 Sources possibles Critère de Hillas (1984) permet didentifier quels types de source peuvent accélérer les RC jusquà ultra haute énergie Comparaison entre le temps daccélération et le temps déchappement Pas de pertes dénergie !

24 Pertes dénergie 1) Particule chargée + Champ magnétique rayonnement synchrotron Emission de photon radio, optique et X Image de Cassiope A (chandra) Très efficace pour le refroidissement des électrons à basse énergie

25 Pertes dénergie 2) Interaction électron-photon (processus inverse Compton) Gain dénergie Perte dénergie

26 Pertes dénergie 3) Interaction matière-matière (source très dense) p + p p + p(n) + aπ 0 + b(π + + π - ) Interaction matière-photon Production de particules secondaires (,, n, e+…) p + γ p + e +/- production de paires p + γ p(n) + π production de pions A + γ (A-1) + p(n) photodésintégration de noyaux Détection indirecte des RC: - photon HE satellite Fermi (LAT) - neutrino HE expérience ANTARES (cf présentation ANTARES)

27 Energie maximale des RC Personne ne sait jusquà quelle énergie sont accélérés les rayons cosmiques… HIRES a mesuré un RC avec une énergie de eV eV … plusieurs joules – énergie macroscopique … lénergie dune balle de tennis à 100 km/h Cest une énergie incroyable Pire, cest impossible !!! à cause du rayonnement fossile…

28 Effet GZK 1965, Penzias et Wilson: découverte du rayonnement fossile (fond cosmologique à 2.7 K) Lunivers est rempli de photons, très froids, en grand nombre : 400 par cm 3. Greisen, Zatsepin et Kuzmin (GZK) comprennent que les RC au delà de eV ne peuvent pas venir de très loin eV : distance inférieure à 100 Mpc (300 millions al) eV : distance inférieure à 15 Mpc (50 millions al) Ces photons sont inoffensifs, car dénergie très faible à moins quon ne se jette sur eux à toute allure !

29 Sources possibles des rayons cosmiques HST

30 Sources possibles des RC Jusquà une énergie de PeV: sources galactiques Reste de supernovae Pulsars Microquasars A ultra haute énergie EeV: sources extra-galactiques mais proches (d

31 Supernovae et vestiges de SNe Explosion de SNe: 2 mécanismes: 1)Explosion dune naine blanche suite à laccrétion de matière arrachée à une étoile voisine dans un système binaire serré (SN thermonucléaire) 2) Effondrement gravitationnel dune étoile très massive (>8M 0 ) Vestige de supernovae SNR sn1006c Chandra SNR Tycho Chandra

32 Noyaux actifs de galaxie Quelques pourcents de lensemble des galaxies Composé dun disque daccrétion + jets Accélérateurs cosmiques: Blazars (jet dans laxe de visée) M87

33 Sursaut gamma Augmentation brutale du flux de photons dans une direction particulière sur un temps très court Origines possibles:

34 Perspectives Observations des RC: Auger, HESS, Fermi, ANTARES… Vers une résolution du puzzle de la nature et des sources des rayons cosmiques jusquà ultra haute énergie…

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