Accélération de particules au sein des vents relativistes de pulsar : simulation et contraintes observationelles avec le satellite INTEGRAL

par Michael Forot

Thèse de doctorat en Astrophysique et méthodes associées

Sous la direction de Isabelle Grenier.

Soutenue en 2006

à Paris 7 .

  • Titre traduit

    Particle acceleration inside PWN : Simulation and observational constraints with INTEGRAL


  • Pas de résumé disponible.


  • Résumé

    Le but de cette thèse est de poser de nouvelles contraintes sur les différents mécanismes d'accélération de particules opérant au sein de la géométrie complexe de l'environnement d'une étoile à neutrons, c'est à dire dans la magnétosphère du pulsar, dans le jet, dans le plan équatorial ainsi qu'au choc terminal. Proche de la surface l'accélération est produite par l'entraînement du très fort champ magnétique par la rotation de l'étoile. Au delà du cylindre de lumière, les particules sont également accélérées dans le plan équatorial par reconnexions magnétiques. Ces processus ont pour principale signature observationnelle une émission puisée pouvant être observée dans tous les domaines de longueurs d'onde. Un des outils les plus puissants afin de contraindre ces mécanismes est l'étude de la polarisation suivant la phase de rotation. C'est dans cet esprit que nous avons utilisé le mode Compton d'IBIS à bord du satellite S\gammaS INTEGRAL. En effet ce dernier permet par la mesure de la distribution selon l'angle azimuthal de diffusion, des événements diffusés entre les deux plans détecteurs d'IBIS, de remonter à la direction et à la fraction de polarisation d'une source au delà de 200 keV. Une méthode d'analyse et de traitement de données a donc été développée dans ce but. La sensibilité atteinte permet de mesurer la polarisation de sources persistantes fortes ainsi que celle de sursauts S\gammaS. Cette méthode a été appliquée au pulsar du Crabe ainsi qu'a sa nébuleuse. Pour la première fois la polarisation d'une source a été mesurée dans le domaine S\gammaS entre 0. 2 et 0. 8 MeV. L'évolution de cette dernière avec la phase de rotation est en accord avec celle trouvée en optique dans les régions centrales, c'est à dire pour des régions S<0. 01S pc du pulsar. Dans le domaine non puisé l'angle de polarisation semble aligné le long de l'axe de rotation, ce qui suggère un rayonnement venant principalement du jet ou bien du point brillant proche du pulsar. Le fait qu'aucune polarisation ne soit observée juste après les pics en émission pourrait être la signature d'effets caustiques sur de grandes distances le long de la dernière ligne de champ ouverte dans la magnétosphère du pulsar. Dans ce cas le modèle du \textit{slot gap} pourrait être responsable de l'émission puisée et donc de la réaccélération de particules proche du pulsar. Afin de mieux contraindre les processus d'accélération par la polarisation il est alors nécessaire d'utiliser une configuration de champ magnétique la plus réaliste possible. Ce paramètre est en effet à la base de tous les modèles d'accélération et d'émission hautes énergies. Jusqu'à maintenant cette géométrie fut supposée dipolaire. C'est donc dans l'optique d'établir une configuration du champ E et B plus réaliste que les équations d'Einstein et de Maxwell furent résolues proche de la surface et dans le vide en utilisant la librairie LORENE. Cette librairie est basée sur les décompositions spectrales, méthode bien adaptée à la résolution des équations de type Poisson. La géométrie obtenue diffère légèrement de celle d'un dipôle classique pour de faibles rotations et les zones d'accélération sont elles localisées proche des calottes polaires. Il est maintenant nécessaire de poursuivre cette étude dans le cas d'une magnétosphère chargée. Dans la magnétosphère lointaine et plus particulièrement proche du choc terminal, les particules peuvent être réaccélérées par absorption d'ondes cyclotrons émises par les ions ainsi que par processus de Fermi relativiste. Des contraintes spectrales comme l'énergie maximum ou l'indice spectral de la distribution de particules permettent de contraindre de façon très efficace ces processus. Pour remonter à de telles informations et notamment à l'énergie maximum qui est en général de l'ordre de S10*{l4-15}S TeV, il est en général nécessaire d'utiliser les émissions synchrotron dans le domaine des X durs (>20 keV). Le champ magnétique doit dans ce cas être connu de manière très précise. C'est dans cet esprit que nous avons étudié les émissions au delà de 20 keV de PSR B1509-58. Ce pulsar produit une longue traine observée en X et au TeV, traine qui a été interprète comme étant du à un jet. Dans le domaine non puisée, de son émission, où la contribution du pulsar par rapport au vent qu il crée est minimum, 1'imageur IBIS détecta lui aussi entre 20 et 200 keV une source s'étendant dans la direction de ce jet et ayant un spectre coupé vers 160 keV. Le champ magnétique a été contraint à des valeurs comprises entre 2 et 3 nT en utilisant la variation de la longueur apparente du jet avec l'énergie entre 0. 1 et 100 keV. Dans ce champ les particules y rayonnant à 160 keV possèdent une énergie comprise entre 400 et 730 TeV. Pour des pulsars plus vieux, le vent relativiste est confiné par la pression du au déplacement de l'étoile dans le milieu interstellaire. La morphologie de ce dernier est alors modifiée et la simple hypothèse de vent sphérique utilisée dans le modèle standard de Kennel et Corroniti ou bien de jet cylindrique, s'évanouit alors au profit de 1'apparation d'un choc en étrave. C'est pourquoi un simple modèle MHD analytique des émissions synchrotrons d'un vent relativiste choqué de pulsar fut développé dans une telle géométrie. Ce modèle fut appliqué au cas de Geminga récemment observé avec XMM et Chandra. Dans cette géométrie l'amplification du champ magnétique le long de la discontinuité de contact permet d'expliquer les flux observés alors que l'énergie maximum nécessaire pour reproduire les observations est incompatible avec celle donnée par un processus de Fermi relativiste. L'énergie maximum de l'ordre de 400 TeV nécessite d'utiliser l'intégralité du potentiel dipolaire aux calottes polaires. Ce simple modèle montre également combien l'évaluation du champ magnétique est primordiale pour interpréter les données.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (271 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : 194 réf.

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  • Bibliothèque : Université Paris Diderot - Paris 7. Service commun de la documentation. Bibliothèque Universitaire des Grands Moulins.
  • PEB soumis à condition
  • Cote : TS (2006) 049

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  • PEB soumis à condition
  • Cote : (043) FOR
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