Le rayonnement cosmique dans la région de formation stellaire du Cygne observé en rayons gamma avec le télescope spatial Fermi

Soutenance de thèse de Xan Astiasarain (Salle de Conférence, IRAP Roche)

Résumé de la thèse

Les rayons cosmiques d’énergie inférieure à 1 PeV (10^15 eV) sont considérés comme étant d’origine galactique. Plusieurs considérations théoriques et observationnelles suggèrent que la majorité des rayons cosmiques galactiques sont produits par les restes de supernovae. Cependant, cette idée montre ses limites lorsque l’on s’intéresse à la composition du rayonnement cosmique et à l’énergie maximale à laquelle les restes de supernovae peuvent accélérer des particules.
D’autres sources de particules sont considérées pour pallier les difficultés rencontrées par le paradigme des restes de supernovae. Parmi elles, les régions de formation stellaire connaissent un intérêt croissant.
Les régions de formation stellaire sont des régions où se concentrent de nombreux accélérateurs potentiels de particules, comme les restes de supernovae ou les pulsars et leurs nébuleuses. Pour des amas d’étoiles suffisamment compacts, l’action collective des vents stellaires et des restes de supernovae peut engendrer la formation d’une super-bulle en expansion dans le milieu interstellaire.
La concentration d’accélérateurs potentiels garantit une production de rayons cosmiques dans les régions de formation stellaire. Cependant, toute la question est de savoir si ces régions jouent un rôle spécifique au-delà des accélérateurs individuels et si c’est le cas, par quels mécanismes les particules sont accélérées et transportées dans ces régions.
En 2011, un excès de rayons gamma a détecté grâce au Fermi Large Area Telescope (LAT) dans la région de formation stellaire du Cygne interprété alors comme la présence de rayons cosmiques fraîchement accélérés possiblement par l’association Cygnus OB2. L’objectif de mon travail de thèse est de réaliser une étude spectro-morphologique approfondie de la région du Cygne pour comprendre les mécanismes d’accélération et de propagation des particules dans cette région. Pour cela, j’ai utilisé 13 ans d’observations Fermi entre 0.5 GeV et 1 TeV.
Cette nouvelle analyse révèle une structure plus riche que précédemment, avec plusieurs composantes morphologiques et des différences spectrales. Notamment, une composante très étendue de ~4° de rayon, dont le centre est décalé par rapport à l’association Cygnus OB2, et une composante plus compacte, corrélée au gaz ionisé qui entoure les principaux amas stellaires de la région.
Nous montrons qu’un modèle simple de transport diffusif avec une seule population de particules injectées peut rendre compte des observables que nous avons produites, aussi bien dans des scénarios hadroniques que leptoniques. Nous montrons que l’éventail de scénarios viables va d’une injection continue avec suppression de la diffusion par un ou deux ordres de grandeurs par rapport à la diffusion moyenne dans le milieu interstellaire, ce qui est pertinent pour des amas stellaires, à des scénarios d’injection récente avec une diffusion de type interstellaire ou supprimée par un ordre de grandeur, ce qui est pertinent pour des restes de supernovae. Cette modélisation simple permet d’élargir le champ des possibilités pour l’origine des rayons cosmiques dans la région du Cygne par rapport aux interprétations des précédentes analyses.
Les futurs observatoires en rayons gamma dans le domaine du TeV mais aussi dans le domaine sous-exploité du MeV vont permettre de mieux comprendre l’évolution de la morphologie du cocon en fonction de l’énergie sur une bande large et de discriminer entre les scénarios hadroniques ou leptoniques. La comparaison de ces nouvelles observables avec des modèles auto-cohérents basés sur des paramètres physiques pertinents pour le Cygne pourrait permettre de progresser dans l’identification des mécanismes d’accélération et de propagation. L’influence de paramètres comme l’âge de la région ou la population stellaire sur l’émission gamma observée pourrait être étudiée en reproduisant cette analyse sur d’autres régions dans la galaxie, comme celle de Westerlund 1.

Composition du jury de thèse

• M. Luigi TIBALDO, Directeur de thèse
• M. Pierrick MARTIN, Co-directeur de thèse
• M. Alexandre MARCOWITH, Rapporteur
• Mme Marianne LEMOINE-GOUMARD, Rapporteuse
• M. Vincent TATISCHEFF, Examinateur
• M. Pierre JEAN, Examinateur