Les superbulles et l'origine des rayons cosmiques
Auteur / Autrice : | Thibault Vieu |
Direction : | Stefano Gabici, Vincent Tatischeff |
Type : | Thèse de doctorat |
Discipline(s) : | Physique de l'univers |
Date : | Soutenance le 30/09/2021 |
Etablissement(s) : | Université Paris Cité |
Ecole(s) doctorale(s) : | École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....) |
Partenaire(s) de recherche : | Laboratoire : AstroParticule et Cosmologie (Paris ; 2005-....) |
Jury : | Président / Présidente : Étienne Parizot |
Examinateurs / Examinatrices : Étienne Parizot, Alexandre Marcowith, Andrei Bykov, Fiorenza Donato | |
Rapporteurs / Rapporteuses : Alexandre Marcowith, Andrei Bykov |
Mots clés
Mots clés contrôlés
Mots clés libres
Résumé
Il a été découvert il y a plus d'un siècle que le milieu interstellaire est rempli de particules chargées appelées rayons cosmiques. Ces particules sont des composantes de premier-plan dans l'écosystème galactique. Non seulement elles influencent les propriétés des plasmas et des champs magnétiques, mais elles impactent également la dynamique des gaz, régissent l'évolution des nuages moléculaires et régulent la formation des étoiles. Cependant, la question de leurs sources reste sans réponse définitive. Les énergies gigantesques que certaines de ces particules atteignent lorsqu'elles impactent l'atmosphère terrestre suggèrent qu'elles doivent être produites dans les systèmes astrophysiques les plus puissants de la galaxie, comme les étoiles massives qui finissent par exploser en supernovae. Au cours des dernières décennies, il a été démontré que les vestiges de supernovae accélèrent en effet des particules. Bien que séduisant d'un point de vue énergétique, ce scénario de production de rayons cosmiques est aujourd'hui ébranlé par un certain nombre d'arguments, incluant la difficulté de rendre compte des rayons cosmiques de très hautes énergies ainsi que des particularités du spectre mesuré sur Terre. D'un autre côté, la plupart des étoiles massives qui explosent en supernovae à la fin de leur vie sont supposées naître au sein d'amas formés à l'intérieur de nuages moléculaires denses. Durant leur vie, les étoiles creusent autour des amas des cavités qui atteignent des dimensions galactiques et que l'on appelle des superbulles. Les vents stellaires et les explosions de supernovae déposent une grande quantité d'énergie mécanique, thermique et turbulente à l'intérieur de ces cavités, ce qui en font des candidates de choix comme sources du rayonnement cosmique. Pourtant, l'accélération des particules dans ces environnements a été rarement considérée. Cette thèse a donc pour but de récapituler les mécanismes d'accélérations fondamentaux supposés agir à l'intérieur des superbulles, afin de produire des modèles semi-analytiques dérivés d'équations fondamentales. Des effets collectifs comme les collisions entre ondes de choc et les réaccélérations successives des particules confinées sont discutés. Un modèle auto-consistant, prenant en compte la réponse non-linéaire des particules sur leur environnement, est décrit. Il est montré que la turbulence hydromagnétique, les multiples supernovae et les vents stellaires produisent efficacement des rayons cosmiques. Le spectre des particules accélérées est non seulement influencé par les effets collectifs et la propagation dans l'intérieur de la bulle, mais aussi par la coquille magnétisée qui délimite la bulle et le caractère intermittent de la puissance mécanique délivrée par les étoiles. La contribution globale des amas stellaires et des superbulles galactiques au spectre des rayons cosmiques est finalement discutée, ainsi que des observations récentes en rayons gammas.