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Les cascades électromagnétiques cosmologiques comme sondes du milieu intergalactique

 Probe the Universe with Cosmological Electromagnetic Cascades

Doctorant : FITOUSSI Thomas

Directeur : BELMONT Renaud, MALZAC Julien

Début de thèse : Octobre 2014

Groupe thématique :  GAHEC

L'astronomie des très hautes énergies (observations des sources de photons gamma d'énergie supérieure au GeV) a pris son essor au cours de ces dernières années avec la moisson impressionnante de résultats obtenus par les télescopes Cherenkov tels que HESS, MAGIC ou VERITAS, ainsi que par le télescope LAT de l'observatoire spatial Fermi lancé en 2008. Dans ce contexte, de nombreuses sources extragalactiques ont été détectées (noyaux actifs de galaxies, sursauts gamma...). Ces sources peuvent être utilisées comme des sondes cosmologiques et apporter des contraintes sur les propriétés du milieu intergalactique.

En particulier, les sources gamma sont responsables de "cascades électromagnétiques". Dans de ces véritables réactions en chaîne, les photons gamma émis par les sources extragalactiques interagissent, au cours de leur trajet jusqu'à nous, avec le rayonnement diffus intergalactique et produisent des paires électron-positrons. Par diffusion Compton inverse de ce même rayonnement intergalactique, ces paires de haute énergie émettent de nouveaux photons gamma qui à nouveau produisent des paires. Et ainsi de suite... Ce processus se répète un grand nombre de fois produisant ces cascades qui peuvent se propager sur des distances cosmologiques. Le principal effet de ces cascades est de diffuser le rayonnement des sources gamma lointaines qui apparaissent alors comme des sources étendues, et non plus comme des sources ponctuelles. Les propriétés observables de ces cascades (taille de l'image de la source, spectre en énergie, retards temporels entre différentes bandes d'énergies) peuvent être utilisées pour sonder les caractéristiques physiques du milieu dans lequel celles-ci se développent. On s'intéressera en particulier aux propriétés du champ magnétique intergalactique. Celui-ci affecte notablement le développement des cascades et reste, à l'heure actuelle, très mal connu sur ces échelles cosmologiques.

Le but de la thèse consistera à étudier et modéliser les propriétés de ces cascades électromagnétiques en fonction des propriétés du milieu intergalactique. Il s'agira de faire des prédictions qui pourront être testées avec les instruments actuels et futurs et permettre de contraindre des paramètres fondamentaux pour la cosmologie (comme par exemple la valeur du champ magnétique intergalactique). Outre les sources ponctuelles, d'autres processus sont susceptible de générer de telles cascades. Par exemple, on s'attend à la formation de cascade lors la décroissance de la matière noire, ou de l'interaction de rayons cosmique de ultra haute énergie interagissant avec le rayonnement de fond cosmologique. Par comparaison des résultats de simulations avec des observations, on tentera d'estimer l'importance respective de chacun de ces processus. On pourra également estimer le nombre total de paires électron-positron produits dans l'univers par ces cascades. Ces paires se propagent jusqu'à ce qu'elles perdent toute leur énergie et s'annihilent. Certaines sont capturées par le champ magnétique des galaxies et concentrées dans des régions plus denses que le milieu intergalactique ou le refroidissement et l'annihilation de ces particules est plus efficace. The processus pourrait conduire à la formation d'un rayonnement d'annihilation diffus à 511 keV, similaire à celui observé par INTEGRAL (Jean et al. 2010) au sein de notre galaxie. Par la modélisation de la propagation des paires produite dans les cascades on tentera de déterminer la contribution des cascades cosmologique au rayonnement d'annihilation observé.

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