Vers la découverte des sources et des mécanismes de production des

rayons cosmiques

HST

Damien Dornic (CPPM)

Un mot sur l’origine des RC …→ Basse et haute énergie

Sources galactiques ??? (Supernovae, microquasars…)

→ Ultra haute énergie

?????

Nature des RC

99 % de noyaux

1 % d’électrons

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+ ????

Unités et ordre de grandeurs

Unités:

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)

Champ magnétique: gauss (G) → 10-4 TTerrestre ~0.5 GMIS ~ 10 µ - 10 nGEtoile à neutron: ~1013-1015 GIRM ~105 G

~50 kpc

~1 kpc

Unités et ordre de grandeurs

Vitesse: célérité (c) → 3. 108 m/s

Masse: masse solaire (M0) → 2. 1030 kg x 3 105 MTerre

Masse d’un trou noir: ~ 108-1010 M0

Unités:

Energie: électron-volt (eV) → 1.6 10-19 J (1 PeV = 1015 eV; 1EeV = 1018 eV) 7 TeV: energie des protons du LHC200 MeV: energie libérée lors de la réaction de

fission de 235U

Histoire des rayons cosmiques

Accélération dans les sources

Transport dans les

turbulences magnétiqu

es

Observables

Sources

Accélération des rayons cosmiques

HST

Pour accélérer… … un réservoir d’énergie

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

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…

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 l’énergie grâces aux champs EM

BvEqF em

Transfert d’énergie

2- Champs Magnétique BHyper 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...

1- Champs électrique EDans le milieu interstellaire <E> ~ 0 (MIS conducteur et neutre)

+ champs transitoires (reconnexion magnétique dans les éruptions solaires)

Champs E et B dans l’Univers

3/1 cmeVoptCMBRCB

Champs E et B dans l’Univers

3/1 cmeVoptCMBRCB

Échange d’énergie entre des particulesindividuelles 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

Comment est-ce possible?Les champs B ne travaille pas !

Champ magnétique et accélération

BF

Champs B variables

t

BE

Loi de Maxwell-Faraday

apparition de champs E transitoires transmission de l’énergie aux particules.

Grâce à la relativité,BvE

.' Changement de référentiel

B pur est vu comme un E pur

Illustration du mécanisme de FermiTrajectoires d’une particule chargée:

- Sans B → ligne droite- Avec B → courbe

Exemple du miroir magnétique:

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 d’énergie

Une analogie simple

vV

v + 2V Vitesse inchangéepar rapport à la raquette

accélération par double changement de référentiel

Amortiev

V

v - 2V Décélération des particules…

Raquette en mouvement

Ni gain ni perte d’énergie... dans le réf. de la raquette !

L’essence de l’accélérationstochastique de Fermi

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)

Les particules chargées interagissent avec des nuages magnétiques (en mouvement désordonné dans le MIS) qui peuvent les réfléchir.

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 !

ZeB

PErL rg[pc]

E15[1015eV ]

B[G]Z

Avec B trajectoire courbée avec un rayon de giration donné par

Confinement des particules:

Regime diffusif

Propagation quasi-rectiligne

Régime balistique

Retour sur les trajectoires des RC

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 cosmiquesLes 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 possiblesCritère 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’énergie1) Particule chargée + Champ magnétique

→ rayonnement synchrotronEmission de photon radio, optique

et X

Image de Cassiope A (chandra)

Très efficace pour le refroidissement des électrons à basse énergie

Pertes d’énergie

2) Interaction électron-photon (processus inverse Compton)

Gain d’énergie

Perte d’énergie

Pertes d’énergie3) Interaction matière-matière (source très dense)

p + p → p + p(n) + aπ0 + 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

ee,

20

Détection indirecte des RC: - photon 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 GZK1965, 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.

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)

Ces photons sont inoffensifs, car d’énergie très faible à moins qu’on ne se jette sur eux à toute allure !

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 SNeExplosion de SNe: 2 mécanismes:

1)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 supernovaeSNR sn1006c

Chandra

SNR Tycho

Chandra

Noyaux actifs de galaxieQuelques pourcents de l’ensemble des galaxies

→ Composé d’un disque d’accrétion + jets

→ Accélérateurs cosmiques: Blazars (jet dans l’axe de visée)

M87

Sursaut gammaAugmentation brutale du flux de photons dans une direction particulière sur un temps très court

Origines possibles:

PerspectivesObservations 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…