1 Fermi-GLAST : Accélération de particules auprès d’étoiles à neutrons M.-H. Grondin Centre d’Etudes Nucléaires de Bordeaux-Gradignan Journées Jeunes Chercheurs.

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1 1 Fermi-GLAST : Accélération de particules auprès d’étoiles à neutrons M.-H. Grondin Centre d’Etudes Nucléaires de Bordeaux-Gradignan Journées Jeunes Chercheurs 2008 – St Flour

2 2 Sommaire 1. Le pulsar et son environnement 2. Premiers résultats de Fermi 3. Analyses en cours : analyse spectrale : l’exemple de la région du Crabe estimation de l’extension d’une source

3 3 Région de formation stellaire Protoétoile Étoile massive qui utilise son carburant d'hydrogène pour survivre Lorsque l'étoile commence à manquer de carburant, le cœur se contracte Ces étoiles très massives peuvent atteindre de très hautes températures et densités en leur cœur. Les couches externes de l’étoile sont attirées par la gravitation et rebondissent sur le cœur, ce qui entraine une importante explosion: c'est le phénomène de supernova La vie d’une étoile

4 4 Les pulsars sont des « étoiles à neutrons, hautement magnétisées, en rotation rapide ». Etoile à neutrons et vestige de supernova sont les résidus de l’explosion en supernova gravitationnelle Objet très dense : M ~ 1.4 M sol (Chandrasekhar, 1939; Thorsett & Chakrabarty, 1999) R ~ 20 km (Oppenheimer & Volkov, 1939)  densité ~ 10 17 kg/m 3 Lois de conservation entre avant et après l’explosion: Conservation du flux du champ magnétique :B fin = 10 10 B init Conservation du moment cinétique : P fin = 10 -10 P init Découverte en novembre 1967 : détection d’un signal de P=1.337 s en radio. Aujourd’hui : 1800 pulsars connus en radio, 50 en X, 6 en optique, et 7 en gamma avant le lancement de Fermi Qu’est-ce qu’un pulsar?

5 5 Emission périodique d’un pulsar Analogie entre un pulsar et un phare : un faisceau balaye le ciel périodiquement Environnement d’un pulsar : Magnétosphère étendue jusqu’au cylindre de lumière, défini par la distance R = c/Ω. Au delà, lignes de champ ouvertes Le faisceau radio est créé par les particules chargées accélérées le long de ces lignes de champ ouvertes.

6 6 Recherche d’un signal pulsé avec Fermi Il existe deux principales méthodes de recherche d’un signal pulsé dans le domaine des rayons gamma: -pour les pulsars connus en radio : emploi d’éphémérides radio (jeu de données contenant la position du pulsar, la fréquence ou période de rotation et ses dérivées, …) -pour les sources non-détectées comme pulsées en radio : « recherche à l’aveugle », utilisant divers algorithmes de recherche en fréquence. Ces éphémérides permettent de calculer pour chaque photon détecté une phase. Celle-ci représente une fraction dans la rotation du pulsar. On « empile » ensuite les photons en fonction de leur phase pour obtenir un phasogramme.

7 7 Déductions : - Inclinaison du pulsar  - Angle de visée - Zone d’émission  radio Modèles et zones d’émission Pourquoi étudier les pulsars avec Fermi? L’observation des pulsars avec Fermi permettrait de connaître la géométrie de l’émission . Informations obtenues par les observations : - Nombre de pics - Séparation des pics - Décalage aux différents - Forme du spectre en énergie dans le phasogramme

8 8 Qu’est-ce qu’une nébuleuse de pulsar? Après l’explosion en supernova, le pulsar émet un vent de particules chargées (e ± ) à des vitesses très importantes. Une onde de choc se forme à proximité du pulsar, zone d’accélération des particules. Or, toute particule chargée étant accélérée rayonne des photons. Description schématique d’une nébuleuse de pulsar entourée par un vestige de supernova Pulsar Nébuleuse de pulsar Vestige de supernova Flot de particules

9 9 Mécanismes d’émission dans les nébuleuses de pulsar 2 principaux mécanismes d’émission non thermique: Du domaine radio aux rayons X : émission synchrotron des particules chargées au niveau de l’onde de choc Des rayons X aux rayons gamma de très haute énergie : émission Compton Inverse des particules chargées sur les photons ambiants (CMB, poussière, photons synchrotron, …) Pulsar L’étude de l’émission provenant des nébuleuses de pulsars permet la compréhension des phénomènes d’accélération de particules au niveau du choc et une meilleure connaissance des phénomènes physiques ayant lieu à proximité du pulsar. Nébuleuse du Crabe

10 10 Sommaire 1. Le pulsar et son environnement 2. Premiers résultats de Fermi 3. Analyses en cours : analyse spectrale : l’exemple de la région du Crabe estimation de l’extension d’une source

11 11 Détection de pulsars avec EGRET et Fermi EGRET : –7 pulsars détectés en rayons gamma –Geminga est le seul à ne pas émettre dans le domaine radio Fermi : –~100 pulsars attendus pendant les premières années

12 12 Vela (2 cycles, P=89.3 ms) PSR B1055-52 (2 cycles, P=197 ms) PSR B1706-44 (2 cycles, P=102.4 ms) Geminga (2 cycles, P=237.1 ms) Crab pulsar (P=33.4 ms) En quelques jours, Fermi a confirmé les pulsars découverts par EGRET. Les pulsars EGRET vus par Fermi : Premières images de Fermi (30 Juin – 4 Juillet 2008)

13 13 Objets compacts centraux (CCO) de nébuleuses de pulsar (PWNe) Les nébuleuses jeunes sont alimentées par les pulsars, mais certaines ne contiennent pas d’étoile à neutrons connue : Etablissement d’une liste de nébuleuses de pulsars (dans le cadre du premier catalogue de PWNe avec Fermi) Sélection des PWNe n’ayant pas de pulsar connu mais contenant un CCO détecté en X : ce sont de très bons candidats pulsars Application de l’algorithme de recherche à l’aveugle sur ces candidats

14 14 Découverte d’un pulsar dans le vestige de supernova CTA1 CTA1

15 15 Etat des lieux avant le lancement de Fermi -Vestige de supernova détecté dans le domaine radio (1960) -Observation d’une nébuleuse de pulsar observée dans le domaine des rayons X (1995) -Source ponctuelle détectée en rayons X par le satellite Chandra (2004) à l’intérieur du vestige de supernova. Aucune pulsation n’est observée jusqu’au lancement de Fermi.  Présence d’une étoile à neutrons à proximité ?  La source ponctuelle est un candidat pulsar important -Détection d’une source par le satellite EGRET (rayons gamma) dans le vestige de supernova (1991-2001).  Une détection par Fermi est fortement attendue Source ponctuelle vue en XVestige de supernova vu en radio Détection EGRET (contours violets) superposée à l’émission de la nébuleuse en X

16 16 Découverte d’un pulsar dans le vestige de supernova CTA1 Phasogramme du pulsar détecté Premier article de la collaboration Fermi après lancement, publié dans Science Express! Découverte d’un pulsar non détecté en radio dans le vestige de supernova CTA1, par application de la recherche en aveugle

17 17 Découverte d’un pulsar dans le vestige de supernova CTA1 Découverte du pulsar (cercle rouge) non détecté en radio, coïncidant avec la source ponctuelle détectée dans le domaine des rayons X (croix). Détection compatible avec une observation du satellite EGRET (cercle bleu). 30/06/08 – 30/07/08 : 900 photons au dessus de 100 MeV Flux (>100 MeV) ~ 3.8e-7 cm-2.s-1 Données obtenues avec Fermi : P ~ 317 ms dP/dt ~ 3.6e-13 s/s Ė = 4.5e35 ergs/s B = 1.1e13 G Age ~ 10,000 yr

18 18 Sommaire 1. Le pulsar et son environnement 2. Premiers résultats de Fermi 3. Analyses en cours : analyse spectrale : l’exemple de la région du Crabe estimation de l’extension d’une source

19 19 Etude de la région du Crabe Phasogramme du pulsar du Crabe Emission non pulsée Fermi 1.Etude de la nébuleuse : La résolution angulaire de Fermi ne permet pas une distinction spatiale de la nébuleuse et du pulsar.  on se restreint donc à la partie non pulsée de l’émission, à l’aide du phasogramme, pour l’étude de la nébuleuse. La bande d’énergie 50 MeV-10 GeV, dans le spectre de la nébuleuse, a été couverte par EGRET. Pas de mesures entre 10 GeV et 200 GeV. Spectre de la nébuleuse du Crabe

20 20 Etude de la région du Crabe L’étude de la région du Crabe pourra nous permettre d’une part de mieux connaître les mécanismes d’émission au niveau de la nébuleuse mais aussi du pulsar, et d’autre part de réaliser une calibration croisée avec les expériences Cherenkov au sol (HESS, MAGIC…). 2.Etude du pulsar : L’analyse est réalisée sur l’ensemble de la phase. L’émission de la nébuleuse constitue un « fond » pour l’étude du pulsar. Le spectre dans la bande d’énergie 50 MeV-300 GeV, dans le spectre du pulsar, est assez mal connu, voire inconnu (cf. haute énergie). NB: Une détection de signal pulsé a été observée récemment au dessus de 25 GeV par MAGIC (astro-ph/0809.2998). Fermi Spectre du pulsar du Crabe

21 21 Estimation de l’extension des sources Outil permettant d’estimer l’extension d’une source et de réaliser son analyse spectrale en conséquence : développement de code tests sur simulations (avec fonds plus ou moins réalistes) Application aux données réelles : à venir Intérêt primordial pour l’étude de différents types de sources : nébuleuses de pulsars, vestiges de supernovae, amas de galaxies, …

22 22 Conclusions 1 ers résultats très motivants : Détection (en moins de 4 jours) par Fermi des pulsars observés par son prédécesseur EGRET Détection d’un pulsar de type Geminga (muet en radio) et première publication dès 4 mois après le lancement D’autres papiers en cours… Analyses en cours : Etudes des nébuleuses et de leur pulsar, notamment dans la région du Crabe Implications fortes sur les mécanismes d’accélération et d’émission dans l’environnement du pulsar Intérêt instrumental dans la calibration entre Fermi et les expériences Cherenkov au sol (MAGIC) Etude de l’extension des sources

23 23 Extra slides

24 24 Processus radiatifs Rayonnement synchrotron Diffusion Compton Inverse

25 25 Qui participe à la campagne d’éphémérides? Jodrell Bank (Angleterre) : 102 pulsars Parkes (Australie) : 205 pulsars RXTE (spatial) : 5 pulsars Green Bank (USA) : 6 pulsars Nançay (près Orléans) : 156 pulsars + autres contributeurs. Notamment : Arecibo (Porto Rico) : 1 pulsar, Urumqi (Chine) : 36 pulsars Nançay : Accès au données !

26 26 En avant-première!!! Détection d’émission pulsée : PSR J1028-5918 PSR J0030+0453 PSR J2021+3651 … 6 pulsars EGRET 15 pulsars radio 14 nouveaux pulsars détectés en blind search Préliminaire !