Astroparticules et pulsars : connexions de basse à ultra-haute énergies – APACHE

Modélisation théorique et phénoménologique de la propagation et interaction d'astroparticules, modélisation des sources. Simulations Particle-In-Cell.
Simulations numériques de propagation et interaction d'astroparticules
Simulations hadronique et radio de gerbes (pour sonde atmosphères compagnons de pulsars et pour GRAND)

>>Nous avons recherché la présence de signal gamma avec Fermi-LAT dans la direction de supernovae super-lumineuses. Ces supernovae, plus puissantes que les supernovae classiques, peuvent en effet abriter un pulsar en rotation rapide qui pourrait alimenter une émission gamma. L'absence de signal gamma constatée permet de placer des contraintes fortes sur les caractéristiques d'un éventuel pulsar central.

>>Nous avons dérivé un critère simple et élégant pour savoir si une source explosive pourrait avoir un sursaut en neutrino associé qui serait observable. L'idée est de donner une condition nécessaire de détectabilité, pour pouvoir invalider des associations fausses ou concentrer les recherches sur des sources spécifiques. Il suffit pour appliquer le critère de connaître en particulier l'émission en photons de la source explosive. L'application du critère sur le sursaut de blazar TXS 0506+056 qui fait la une en ce moment en astrophysique, démontre que cette source est a priori une bonne candidate pour une détection neutrino associée, comme ça a été le cas avec IceCube.

>> Nous avons obtenu des résultats forts avec le code PIC ZELTRON appliqué dans les magnétosphères de pulsars. Nous montrons pour la première fois que l'accélération d'ions est possible, et ce, à ultra-haute énergie, dans la magnétosphère de pulsars. Une publication est en préparation. (Guépin, Cerutti & Kotera, in prep.).

>> L'étude du vent de pulsars via des systèmes binaires s'est aussi révélée être très fructueuse. Nous avons pu conclure que dans certains systèmes, l'illumination d'une des faces du companion par réchauffage par le vent de pulsar, impliquait que des particules étaient accélérées au-delà de 100 TeV dans le vent, à la distance du companion. C'est un résultat contraignant (et robuste de par notre étude) qui devrait avoir un impact important sur la communauté. Une publication est soumise. (Zilles, Kotera, Rohrmann, & Althaus)

Avec l'avénement de l'astronomie multi-messagers en 2017, les perspectives sont nombreuses pour cette ANR. Nous explorons les coalescences d'étoiles à neutrons comme sources d'astroparticules de ultra-haute énergie. Les perspectives pour le projet GRAND sont aussi très favorable, avec la chaîne de simulations qui est en train de converger, et un White Paper publié.

C. Guépin, K. Kotera, Can we observe neutrino flares in coincidence with explosive transients?, 2017, A&A, 603, A76, arXiv:1701.07038

N. Renault-Tinacci, K. Kotera, A. Neronov, S. Ando, Search for gamma-ray emission from super- luminous supernovae with the Fermi-LAT, 2017, A&A, 611, A45, arXiv:1708.08971

C. Guépin, K. Kotera, E. Barausse, K. Fang, K. Murase, Ultra-High Energy Cosmic Rays and Neu- trinos from Tidal Disruptions by Massive Black Holes, 2017, accepted by A&A, arXiv:1711.11274

C. Guépin, L. Rinchiuso, K. Kotera, E. Moulin, T. Pierog, J. Silk, Pevatron at the Galactic Center: Multi-Wavelength Signatures from Millisecond Pulsars, 2018, JCAP, Issue 07, 042, arXiv:1806.03307

A. Zilles, O. Martineau, K. Kotera, M. Tueros, K. de Vries, W. Jr. Carvalho, V. Niess, N. Renault- Tinacci, V. Decoene, Radio Morphing: towards a fast computation of the radio signal from air showers, 2018, accepted by Astroparticle Physics, arXiv:1811.01750

The GRAND Collaboration: The Giant Radio Array for Neutrino Detection (GRAND): Science and Design, 2018, to be published in Science China Physics arXiv:1810.09994

Depuis leur découverte il y a plus de cent ans, les rayons cosmiques n'ont cessé de fournir des énigmes aux physiciens des particules et aux astrophysiciens, avec leurs énergies colossales et leurs origines (extra-solaires) mystérieuses. Une connexion entre les rayons cosmiques et les pulsars avait été suggérée dans les décennies suivant la découverte du premier pulsar, mais elle n'avait jamais été examinée, en particulier aux plus hautes énergies. Les données multi-messagers récentes liées aux rayons cosmiques et le boom dans les observations de pulsars rendent ces questions d'autant plus pertinentes aujourd'hui. Dans ce projet, nous proposons d'explorer les liens entre les astroparticules et les pulsars aux hautes et ultra-hautes énergies. Nos travaux récents ont montré que la production de rayons cosmiques de haute et ultra-haute énergie dans ces objets pouvait mener à des résultats très cohérents avec les données observationnelles. Nous explorerons les signatures associées à de tels modèles de sources en terme de multi-messagers (rayons cosmiques, neutrinos, photons à différentes longueurs d'ondes, et ondes gravitationnelles). Certaines de ces signatures révèlent la façon dont les astroparticules interagissent avec l'environnement de l'étoile à neutrons. Notre approche originale est d'utiliser ces signatures comme outils pour diagnostiquer la nature des pulsars et de leurs vents, et de proposer des solutions aux énigmes observationnelles en vogue : les Sursauts Radio Rapides (Fast Radio Bursts), les sursauts en gamma du pulsar du Crabe et les courbes de lumière étonnantes de systèmes binaires avec un pulsar milliseconde. Ces sujets sont traités dans la littérature des points de vue classiques de l'émission radio, optique ou gamma. Nous aborderons ces problèmes avec une approche originale, en utilisant les multi-messagers de haute énergie. Cette direction est naturelle car ces objets sont connectés à des émissions non-thermiques.

Les recherches théoriques, qui constituent la majorité de ce projet, seront complémentées par une implication significative dans le projet GRAND (Giant Radio Antenna for Neutrino Detection). Nous appliquerons nos travaux sur les pulsars spécifiquement à GRAND et chercherons à construire et consolider les objectifs scientifiques de cette expérience, afin d'orienter son développement technologique.

Cette étude nécessite de combiner les connaissances et outils complexes en interactions hadroniques, en modélisation de magnétosphères de pulsars et leur environnement, en simulations "Particle-in-Cell", en observations de pulsars... de constituer une équipe d'horizons divers. À notre connaissance, nous sommes la seule équipe rassemblant de telles compétences qui travaille aujourd'hui sur ces questions.

Notre équipe rassemble la plupart des acteurs (jeunes) en France dans cette thématique, et réunit l'expertise complémentaire - reconnue internationalement - de 9 jeunes chercheurs et 3 chercheurs séniors dans des laboratoires français, et 4 collaborateurs internationaux dont 2 jeunes chercheurs. Le succès de ce projet repose sur l'extension du contrat d'un post-doctorant d'une année, et du recrutement d'un second post-doctorant pour 2 ans. Nous formerons une doctorante qui a un financement de l'Institut Lagrange de Paris. Les circonstances sont réunies pour fonder un groupe dynamique au sein de l'IAP sur cette nouvelle thématique.

Ce projet sera important pour atteindre les buts que la France et l'Europe se sont fixés pour l'astrophysique des hautes énergies. Nous organiserons des ateliers internationaux qui permettront d'évaluer la progression du projet, et d'établir des connexions efficaces entre les différentes communautés astrophysiques liées à ce projet.