Rayons Cosmiques dans les super Bulles – CRiBs

Afin de mieux comprendre l’activité des superbulles, nous avons combiné notre expertise théorique sur le transport et l'accélération des rayons cosmiques (dans le groupe allemand de Bochum) et notre expertise d'observations du milieu interstellaire et des rayons cosmiques (dans le groupe français de Saclay) pour comparer les cas de la superbulle compacte Cygnus X, vieille de quelques millions d'années, et celui de la superbulle Orion-Eridanus, plus vaste et vieille de dix millions d'années. Nous avons profité de la proximité de cette dernière, à environ mille années-lumière du Soleil, pour détailler son contenu en gaz, en champ magnétique et en rayons cosmiques. Pour cela, nous avons exploité les observations gamma des rayons cosmiques et les observations multi-longueurs d’onde du milieu interstellaire (de la radio aux rayons gamma), pour obtenir une vue globale de la structure composite de la superbulle. En parallèle, nous avons développé un modèle pour quantifier la quantité d'énergie que les rayons cosmiques pénétrant dans la superbulle gagneraient en diffusant au travers de la forte turbulence magnétohydrodynamique de l'intérieur de la bulle.

Selon les calculs théoriques, les conditions stellaires et interstellaires à l'intérieur de la superbulle d'Orion-Eridanus devraient favoriser une accélération ou une ré-accélération efficace des rayons cosmiques, mais nous n'avons étonnamment trouvé aucune preuve de cette activité en rayons gamma. Comparée au cas de Cygnus X, une telle inefficacité est déroutante. La différence vient peut-être du fait que les supernovae dans Orion-Eridanus sont moins fréquentes et plus dispersées que dans Cygnus X qui contient l'un des amas stellaires les plus massifs de la Voie lactée.
Un autre résultat marquant est la mesure d’une perte de rayons cosmiques dans un nuage situé juste à l'extérieur de la superbulle d'Orion-Eridanus, le long de lignes de champ magnétique pointant vers le halo de la galaxie. C’est la première fois qu’on compare la mesure du flux de rayons cosmiques et du champ magnétique dans un même nuage. Elle ouvre la possibilité d'étudier le rôle des fontaines de gaz et de leurs boucles de champ magnétique dans la fuite des rayons cosmiques vers le halo.

Ces travaux ont suscité des discussions stimulantes lors de la Conférence internationale sur les Rayons Cosmiques. Ils ouvrent la voie à d'autres études observationnelles et théoriques, par exemple l'extension des analyses à la partie la plus jeune de la superbulle Orion-Eridanus pour étudier les effets d'âge, l'analyse gamma d'autres superbulles bien résolues spatialement afin d'élargir l'échantillon au-delà des deux seuls cas étudiés jusqu'à présent, l'étude conjointe des rayons cosmiques et des champs magnétiques dans d'autres nuages et fontaines proches, le calcul des spectres de rayons cosmiques ré-accélérés pour différents types de turbulence MHD, car nous avons montré que la pente du nombre d'onde peut avoir un impact significatif sur l'efficacité d'accélération des particules dans le plasma faiblement magnétisé d'une superbulle.

La collaboration a été très fructueuse et a conduit à la publication de 6 articles dans des revues internationales de premier plan, à plusieurs présentations dans des conférences internationales et à l’obtention d'une thèse de licence, d'une thèse de master et de deux thèses de doctorat, ainsi qu'à des contributions importantes à deux autres thèses de doctorat.

Un défi vieux de plus d’un siècle en astrophysique est d’expliquer comment les rayons cosmiques sont accélérés à des énergies relativistes et comment ils diffusent dans leur galaxie hôte. Des progrès notables ont été réalisés sur leur production dans les restes de supernova, mais la découverte récente en rayons gamma, avec le satellite Fermi, d'un cocon de jeunes rayons cosmiques de haute énergie dans la superbulle Cygnus X a révélé une importante nouvelle facette du problème: quel est l'impact sur l’accélération (ou réaccélération) des particules et leur diffusion du fort niveau de turbulence générée dans le milieu de la superbulle par l’activité des nombreuses étoiles massives? Cette phase turbulente peut-elle modifier notablement notre compréhension du transport des rayons cosmiques dans la Galaxie puisque la plupart des sources de rayons cosmiques devraient se trouver dans des régions actives de formation d'étoiles?
Dans ce projet, nous proposons de comparer deux superbulles, la jeune et bouillonnante bulle de Cygnus X, vieille de quelques millions d'années, et la superbulle un peu plus âgée et calme d’Orion-Eridanus, proche du Soleil. Nous proposons de combiner nos expertises sur le transport/accélération des rayons cosmiques, sur les observations gamma des rayons cosmiques, et sur les observations multi-longueurs d'onde des conditions interstellaires qui existent à l’intérieur de ces bulles, afin de tester un nouveau mécanisme d'accélération et d’étudier l'impact de la turbulence de ces régions sur différents diagnostics observationnels sur les rayons cosmiques, à grande échelle dans la Galaxie et localement dans la Superbubble Locale.