Habilitation à diriger des recherches

UNIVERSITÉ PARIS SUD
UFR de Physique
Habilitation à diriger des recherches
SPÉCIALITÉ : Astroparticules
présentée par
Vincent TATISCHEFF
Quelques perspectives en astrophysique
nucléaire des phénomènes non thermiques
soutenue le 19 décembre 2012 devant le jury composé de :
M. Elias Khan Président
M. Jordi Isern Rapporteur
M. Jürgen Knödlseder Rapporteur
M. Etienne Parizot Rapporteur
M. François Lebrun Examinateur
M. Jean-Antoine Scarpaci Examinateur
tel-00795991, version 1 - 1 Mar 2013

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Table des matières
Introduction 7
1 Phénomènes nucléaires dans les éruptions stellaires 11
1.1 Leséruptionssolaires................................... 12
1.1.1 L’émission à 2,2 MeV des éruptions solaires : une mesure de l’abondance
photosphérique de 3He ............................. 12
1.1.2 L’émission de raies de radioactivité des éruptions solaires : un nouveau
traceur des processus de mélange à la surface du soleil? . . . . . . . . . . 18
1.2 Nucléosynthèse de lithium dans les éruptions stellaires . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.2.1 Sur l’origine du 6Li dans de vieilles étoiles de notre galaxie . . . . . . . . . 23
1.2.2 Sur la corrélation entre l’abondance de Li et l’activité de jeunes étoiles de
typesolaire .................................... 25
1.2.3 Peut-on observer en direct une production de Li dans des éruptions stel-
laires? ....................................... 27
2 L’accélération de particules dans les ondes de choc des explosions stellaires 53
2.1 L’accélération diffusive par onde de choc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.2 L’accélération de particules dans les novae symbiotiques . . . . . . . . . . . . . . 61
2.2.1 L’éruption de RS Ophiuchi en 2006 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.2.2 Une nouvelle classe d’émetteurs gamma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.3 L’accélération de particules dans les supernovae détectées en radio . . . . . . . . 68
2.3.1 SN 1993J : une supernova emblématique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.3.2 L’injection des électrons dans le mécanisme d’accélération diffusive par
ondedechoc ................................... 73
2.3.3 L’émission gamma de très haute énergie des supernovae extragalactiques 76
3 A la recherche des rayons cosmiques de basse énergie 107
3.1 L’émission galactique de raies gamma nucléaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
3.2 Les rayons X mous non thermiques : un nouveau traceur de particules accélérées 114
3.2.1 Découverte d’un nouveau type de rayons cosmiques au voisinage de
l’amasdesArches.................................118
3.2.2 Perspectives....................................121
4 L’origine des radioactivités de courte période dans le système solaire primitif 153
4.1 Les radioactivités éteintes et la formation du système solaire . . . . . . . . . . . . 156
4.1.1 Nucléosynthèse non thermique dans le système solaire primitif . . . . . . 156
4.1.2 Une étoile Wolf-Rayet fugueuse à l’origine du système solaire ? . . . . . . 158
4.2 L’origine du 10Be dans le système solaire primitif : nucléosynthèse dans le réma-
nentdelasupernovamère................................162
4.2.1 Taux de production de rayons cosmiques au choc principal . . . . . . . . 163
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4.2.2 Transport des rayons cosmiques en aval du choc . . . . . . . . . . . . . . . 165
4.2.3 Production de 10Be dans le rémanent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
4.3 Une histoire de “nos” origines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
5 Conclusions et perspectives 177
5.1 Quelques perspectives en astrophysique nucléaire des phénomènes non ther-
miques ...........................................177
5.2 Recherche et développement pour le futur de l’astronomie gamma des
moyennesénergies ....................................180
4
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Remerciements
Le Centre de Spectrométrie Nucléaire et de Spectrométrie de Masse est un petit laboratoire
au nom aussi absurde qu’attachant, où des recherches ludiques mais néanmoins fondamentales
sur des sujets variés peuvent être menées en toute impunité. Je suis particulièrement reconnais-
sant aux membres du groupe d’astrophysique nucléaire de la tolérance dont ils font preuve
quand je m’égare sur des chemins de traverse où la lueur de la physique nucléaire s’amenuise.
Mais je tiens surtout à leur exprimer ma gratitude pour la richesse de nos échanges scienti-
fiques, et en premier lieu à Jürgen Kiener, excellent physicien s’il en est, qui me guide et m’ac-
compagne depuis mes premiers pas. J’ai également passé de merveilleuses années de recherche
auprès de Jean-Pierre Thibaud, qui m’a notamment donné à voir certains aspects parmi les plus
gratifiants de la physique nucléaire expérimentale.
Les différents travaux présentés dans ce mémoire sont le fruit de bien d’autres collabora-
tions avec nombre de collègues en France et ailleurs. Mes activités de recherches sur l’accélé-
ration de particules dans les ondes de choc des explosions d’étoiles ont débuté avec Margarita
Hernanz, à Barcelone, lors de ma mise à disposition par le CNRS auprès de l’Institut d’Etudes
Spatiales de Catalogne. L’accueil chaleureux que j’ai reçu dans ce laboratoire, et en particulier
de la part de son directeur, Jordi Isern, a contribué à faire de ce séjour une période bénie de ma
vie de chercheur.
Nos travaux sur l’émission X des rayons cosmiques de basse énergie ont finalement pu
aboutir à quelque chose, après des années d’efforts infructueux, grâce à la compétence et à
la grande patience d’Anne Decourchelle. Nous avons été rejoints en cours de route par Gilles
Maurin, avec qui j’ai également beaucoup apprécié travailler.
L’un des problèmes qui m’intéressent le plus à l’heure actuelle est celui de l’origine des
radioactivités de courte période dans le système solaire primitif, et les raisons de mon attache-
ment à ce thème de recherche sont à la fois d’ordre scientifique et relationnel. On peut diffici-
lement imaginer collaboration plus agréable, à la fois stimulante et joyeuse, que celle avec Jean
Duprat et Nicolas de Séréville.
Je remercie vivement les membres du jury, Jordi Isern, Elias Khan, Jürgen Knödlseder,
François Lebrun, Etienne Parizot et Jean-Antoine Scarpaci, de m’avoir fait l’honneur de juger
les travaux présentés dans ce mémoire. Je veux également exprimer mon amicale gratitude à
Alexandre Marcowith, qui fut un temps pressenti pour rejoindre ce jury, et qui, malgré tout, a
étudié mon manuscrit avec beaucoup d’attention. Son travail aurait été encore plus fastidieux
s’il n’y avait eu la générosité de Marie-Geneviève Porquet, qui a relu avec minutie la première
version de ce document.
Enfin, je voudrais rendre hommage à Reuven Ramaty, qui m’a initié à pratiquement tous
les thèmes de recherche développés dans ce travail et m’a transmis son goût de l’aventure
scientifique.
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