Accélération des rayons cosmiques par les ondes de choc des restes de supernovae dans les superbulles galactiques Gilles FERRAND, sous la direction d’Alexandre MARCOWITH Centre d’Etudes Spatiales des Rayonnements (C.E.S.R.) 9 avenue du Colonel Roche BP 4346 31028 Toulouse Cedex 4 [email protected] Ce projet vise à étudier l'accélération non linéaire des rayons cosmiques par les ondes de choc des restes de supernovae se propageant dans les superbulles galactiques, à l'aide de simulations numériques couplant hydrodynamique et théorie cinétique. I) Contexte et problèmes Les rayons cosmiques [1] sont des particules fortement accélérées, essentiellement des noyaux d'atomes avec environ 1% d'électrons ainsi que d'autres particules élémentaires. Les rayons cosmiques galactiques (jusqu'à des énergies de l'ordre de 1018 eV) sont supposés êtres accélérés par les ondes de choc des restes de supernovae, par le mécanisme de Fermi du 1er ordre [2,3]. Si ce modèle standard offre aujourd'hui un cadre cohérent pour l'exploration de ce phénomène (bilan énergétique correct, production naturelle de lois de puissance universelles), il souffre néanmoins d'un certain nombre d'insuffisances (notamment concernant l'énergie maximale accessible et la cassure du "genou" ~ 3.1015 eV dans le spectre observé). Ce projet s'inscrit dans une tentative de dépasser ce modèle standard par la considération d'effets collectifs de chocs de supernovae à l'intérieur des superbulles galactiques. Les superbulles galactiques sont des structures complexes formées par l'évolution d'amas d'étoiles massives (de type OB) : elles résultent de la fusion des bulles creusées dans le milieu interstellaire par le vent de chaque étoile. Elles ont une taille caractéristique de quelques centaines de parsecs, leur intérieur est composé d'un gaz chaud (T ~ 106 K) et peu dense (n ~ 10-² cm-³) balayé par les vents des étoiles et les ondes de chocs des supernovae successives. Leur interface avec le milieu interstellaire (la coquille) est un milieu froid et plus dense se propageant à des vitesses de quelques dizaines de km.s-1, souvent en contact direct avec le nuage moléculaire parent des étoiles massives. Les ondes de chocs de supernovae qui se propagent successivement dans ce milieu rencontrent des conditions très différentes de celles du milieu interstellaire standard. La présence en amont d’une forte turbulence et de rayons cosmiques déjà accélérés modifie la propagation des chocs et met en question le modèle standard de l'accélération des rayons cosmiques [4,5]. II) Contenu et méthodes Pour mener ce travail nous avons développé un code en C couplant les équations hydrodynamiques du choc et les équations cinétiques du transport des particules relativistes [6,7] permettant un calcul non linéaire auto-consistent de la forme de la fonction de distribution en énergie des particules et de la structure du choc (les rayons cosmiques sont « injectés » et accélérés par le choc et rétroagissent sur la structure de celui-ci). La partie hydrodynamique résout les équations d'Euler selon un schéma volumes finis par méthode de Godunov du second ordre (à limitateur de pentes). La partie cinétique résout l'équation de transport de la fonction de distribution des rayons cosmiques avec pour la diffusion un schéma implicite, explicite (éventuellement accéléré) ou mixte (Crank-Nicholson). La bonne résolution du choc aux différentes échelles auxquelles il est « vu » par les rayons cosmiques a conduit à l’implémentation d'un algorithme de raffinement adaptatif de maillage. III) Avancement et perspectives Le code est aujourd'hui fonctionnel et validé mais il nécessite encore un effort de développement, principalement sur des points techniques visant à une plus grande efficacité d'utilisation (finalisation de l'algorithme de grille adaptative, parallélisation). L'exploitation scientifique du code débute avec l'étude de l'effet de chocs multiples (subissant l'effet des particules précédemment accélérées). Nous voulons également étudier différents types de modèles de transport des rayons cosmiques et tester la question centrale des énergies maximales accessibles par les rayons cosmiques. Par la suite nous envisageons un traitement plus détaillé du champ magnétique (inclusion auto-consistante des ondes assurant le transport des rayons cosmiques) et le calcul de l'émission haute énergie des particules. REFERENCES [1] Parizot E., Marcowith A. et al 2004, proceedings of the Physique et Astrophysique du Rayonnement Cosmique School held 02-06 June 2003 in Goutelas [2] Drury 1983 : An introduction to the theory of diffusive shock acceleration of energetic particles in tenuous plasmas, Rep. Prog. Phys., 46, 973 [3] Malkov & Drury 2001 : Nonlinear theory of diffusive acceleration of particles by shock waves, Rep. Prog. Phys., 64, 429 [4] Parizot, Marcowith et al 2004 : Superbubbles and energetic particles in the Galaxy. I. Collective effects of particle acceleration, A&A, 424, 747 [5] Marcowith A., Parizot E., van der Swaluw E., Bykov A., Tatischeff V., Ferrand G. 2005 : Superbubbles : a laboratory for high energy astrophysics and cosmic-ray physics, proceedings of the 2nd International Symposium on High Energy Gamma-Ray Astronomy held 26-30 July 2004 in Heidelberg, AIP Conference Proceedings, 745, 287-292 [6] Falle & Giddings 1987 : Time-dependent cosmic ray modified shocks, MNRAS, 225, 399 [7] Kang, Jones, Gieseler 2002 : Numerical Studies of Cosmic-Ray Injection and Acceleration, ApJ, 579, 337