CE31 - Physique subatomique, sciences de l'Univers, Structure et histoire de la Terre

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

Ciel variable et astroparticules de ultra-haute énergie

Chercher l'origine des rayons cosmiques de ultra-haute énergie et comprendre les mécanismes des sources puissantes qui sont probablement leur progénitrices

Dévoiler les sources de rayons cosmiques de ultra-haute énergie

L'astronomie multi-messager bat son plein ! Cette nouvelle thématique vient de démarrer avec la détection des ondes gravitationnelles et des neutrinos de haute énergie. Cet élan permettra de collecter des données supplémentaires et de progresser sur l'un des problèmes séculaires irrésolus de l'astrophysique : l'origine des rayons cosmiques de utlra-haute énergie. Plusieurs preuves pointent vers des objets «transients« comme sources de ces particules. Nous explorons donc ces scénarios en utilisant des modèles théoriques et des simulations numériques. En parallèle, cette exploration nous permettra de sonder la structure et les mécanismes de fonctionnement de ces sources puissantes. <br />Ce travail théorique est complété par un investissement dans le projet GRAND, qui vise à détecter des neutrinos de ultra-haute énergie avec un réseau d'antennes géant de 200'000 km2. Dans le cadre de cet ANR, nous construirons un «Science Case« solide pour ce projet prometteur, et prendrons une part active dans l'élaboration de la chaîne de simulations complète de l'expérience.

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)

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

Dans cet article, nous recherchons 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.

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

Dans cet article, nous dérivons 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.

Avec l'avénement de l'astronomie multi-messagers en 2017, les perspectives sont nombreuses pour cette ANR. Nous allons explorer 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 qui est bientôt complet.

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 supe

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.

Coordinateur du projet

Institut d'Astrophysique de Paris (Laboratoire public)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

Institut d'Astrophysique de Paris

Aide de l'ANR 296 298 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2016 - 48 Mois

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