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

Un mot sur l’origine des RC … → Basse et haute énergie Sources galactiques ??? (Supernovae, microquasars…) Le système solaire est constament exposé à un flux de particules très énergétiques → Ultra haute énergie ?????

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

Unités et ordre de grandeurs Distance: parsec (pc) → 3.086 1016 m - 3.26 al Taille de la galaxie: Distance à la plus proche étoile: 1.3 pc (4.22 al) ~50 kpc ~1 kpc Champ magnétique: gauss (G) → 10-4 T Terrestre ~0.5 G MIS ~ 10 µ - 10 nG Etoile à neutron: ~1013-1015 G IRM ~105 G

Unités et ordre de grandeurs Energie: électron-volt (eV) → 1.6 10-19 J (1 PeV = 1015 eV; 1EeV = 1018 eV) 7 TeV: energie des protons du LHC 200 MeV: energie libérée lors de la réaction de fission de 235U Masse: masse solaire (M0) → 2. 1030 kg x 3 105 MTerre Masse d’un trou noir: ~ 108-1010 M0 Vitesse: célérité (c) → 3. 108 m/s

Histoire des rayons cosmiques Sources Observables Accélération dans les sources Transport dans les turbulences magnétiques

Accélération des rayons cosmiques HST

Pour accélérer… … un réservoir d’énergie Énergie cinétique ✦ translation (chocs, nuages en mvt → accélération de Fermi) ✦ Rotation (pulsars, trous noirs, étoiles à neutrons) Énergie gravitationnelle ✦ via l’accrétion… Énergie électromagnétique (EM) ✦ turbulence, compression, rotation d’aimants… Mais dans le milieu interstellaire, la densité de matière est si faible qu’il est impossible de transférer de l’énergie par simple choc.  Les interactions se produisent grâce aux champs EM On parlera d’onde de choc mais ce sera toujours des chocs non collisionnels

Transfert d’énergie in fine, les particules gagnent de l’énergie grâces aux champs EM (Force de Lorentz) Accélération des particules chargées uniquement ! 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.

Champs E et B dans l’Univers 1- Champs électrique E Dans le milieu interstellaire <E> ~ 0 (MIS conducteur et neutre) + champs transitoires (reconnexion magnétique dans les éruptions solaires) 2- Champs Magnétique B Hyper importants Omniprésents: milieu interstellaire, étoiles, disques d’accrétion, 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 E et B dans l’Univers  Échange d’énergie entre des particules individuelles et des structures macroscopiques possibles amis efficaces  Quelques particules peuvent acquérir de très hautes énergies !  C’est l’essence du mécanisme original proposé par Fermi en 1949

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

Illustration du mécanisme de Fermi Trajectoires d’une particule chargée: - Sans B → ligne droite - Avec B → courbe Exemple du miroir magnétique:

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

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

L’essence de l’accélération stochastique de Fermi Les particules chargées interagissent avec des nuages magnétiques (en mouvement désordonné dans le MIS) qui peuvent les réfléchir. Quand une particule est réfléchie sur un miroir magnétique venant vers elle (collision frontale), elle gagne de l’énergie Quand une particule est réfléchie sur un miroir magnétique s’éloignant d’elle (collision fuyante), elle perd de l’énergie Les collisions frontales sont plus fréquentes que les celles fuyantes  Gain d’énergie net, en moyenne (processus stochastique)

Transport des rayons cosmiques de la source à la Terre HST

Transport des rayons cosmiques Champ magnétique Les irrégularités de B permettent l’accélération et le transport des RC Mais, aussi limite la propagation des RC (perte d’énergie)

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

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

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

Sources des rayons cosmiques Les RC sont accélérés à l’intérieur des sources puis ils se propagent jusqu’à nous Les sources sont galactiques jusqu’à une énergie de 10-100 PeV (confinement) Au-delà, ils sont d’origine extragalactique Les RC seront accélérés dans les sources tant qu’ils restent confiner dans ces sources Sources de UHE: extrêmement magnétisées Energie maximale: compétition entre accélération, échappement et pertes d’énergie

Sources possibles Critère de Hillas (1984) permet d’identifier quels types de source peuvent accélérer les RC jusqu’à ultra haute énergie Comparaison entre le temps d’accélération et le temps d’échappement ! Pas de pertes d’énergie

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

Pertes d’énergie 2) Interaction électron-photon (processus inverse Compton) Gain d’énergie Perte d’énergie

p + p → p + p(n) + aπ0 + b(π+ + π-) Pertes d’énergie 3) Interaction matière-matière (source très dense) p + p → p + p(n) + aπ0 + b(π+ + π-)  Production de particules secondaires (g, n, n, e+…) Interaction matière-photon 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 g HE → satellite Fermi (LAT) - neutrino HE → expérience ANTARES (cf présentation ANTARES)

Energie maximale des RC Personne ne sait jusqu’à quelle énergie sont accélérés les rayons cosmiques… HIRES a mesuré un RC avec une énergie de 3 1020 eV 300 000 000 000 000 000 000 eV … plusieurs joules – énergie macroscopique … l’énergie d’une balle de tennis à 100 km/h C’est une énergie incroyable Pire, c’est impossible !!! à cause du rayonnement fossile…

Effet GZK 1965, Penzias et Wilson: découverte du rayonnement fossile (fond cosmologique à 2.7 K) L’univers est rempli de photons, très froids, en grand nombre : 400 par cm3. Ces photons sont inoffensifs, car d’énergie très faible à moins qu’on ne se jette sur eux à toute allure ! Greisen, Zatsepin et Kuzmin (GZK) comprennent que les RC au delà de 1020 eV ne peuvent pas venir de très loin 1020 eV : distance inférieure à 100 Mpc (300 millions al) 3 1020 eV : distance inférieure à 15 Mpc (50 millions al)

Sources possibles des rayons cosmiques HST

Sources possibles des RC Jusqu’à une énergie de 1-100 PeV: → sources galactiques Reste de supernovae Pulsars Microquasars A ultra haute énergie 1-100 EeV: → sources extra-galactiques mais proches (d<qq 100 Mpc) Noyau actif de galaxie Sursaut gamma

Supernovae et vestiges de SNe Explosion de SNe: 2 mécanismes: Explosion d’une naine blanche suite à l’accrétion de matière arrachée à une étoile voisine dans un système binaire serré (SN thermonucléaire) 2) Effondrement gravitationnel d’une étoile très massive (>8M0) Vestige de supernovae SNR sn1006c Chandra SNR Tycho

Noyaux actifs de galaxie Quelques pourcents de l’ensemble des galaxies → Composé d’un disque d’accrétion + jets → Accélérateurs cosmiques: Blazars (jet dans l’axe de visée) M87

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

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