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…