Slides - indico in2p3

Fermi-GLAST :
Accélération de
particules auprès
d’étoiles à neutrons
M.-H. Grondin
Centre d’Etudes Nucléaires de
Bordeaux-Gradignan
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Journées Jeunes Chercheurs 2008 – St Flour
Sommaire
1. Le pulsar et son environnement
2. Premiers résultats de Fermi
3. Analyses en cours :
•
analyse spectrale : l’exemple de la région du
Crabe
•
estimation de l’extension d’une source
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Région de formation stellaire
La vie d’une étoile
Étoile massive qui utilise son
carburant d'hydrogène pour
survivre
Protoétoile
Lorsque l'étoile commence à
manquer de carburant, le cœur
se contracte
Ces
étoiles très
massives
peuvent atteindre de très hautes
températures et densités en leur
cœur. Les couches externes de
l’étoile sont attirées par la
gravitation et rebondissent sur le
cœur, ce qui entraine une
importante explosion: c'est le
phénomène de supernova
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Qu’est-ce qu’un pulsar?
Les pulsars sont des « étoiles à neutrons, hautement magnétisées, en rotation
rapide ».
• Etoile à neutrons et vestige de supernova sont les résidus de l’explosion en
supernova gravitationnelle
• Objet très dense :
M ~ 1.4 Msol (Chandrasekhar, 1939; Thorsett & Chakrabarty, 1999)
R ~ 20 km (Oppenheimer & Volkov, 1939)
 densité ~ 1017 kg/m3
• Lois de conservation entre avant et après l’explosion:
• Conservation du flux du champ magnétique :
• Conservation du moment cinétique :
Bfin = 1010 Binit
Pfin = 10-10 Pinit
• Découverte en novembre 1967 : détection d’un signal de P=1.337 s en radio.
Aujourd’hui : 1800 pulsars connus en radio, 50 en X, 6 en optique, et 7 en gamma
avant le lancement de Fermi
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Emission périodique d’un pulsar
Analogie entre un pulsar et un phare :
un faisceau balaye le ciel périodiquement
Environnement d’un pulsar :
• Magnétosphère étendue jusqu’au cylindre de
lumière, défini par la distance R = c/Ω.
• Au delà, lignes de champ ouvertes
Le faisceau radio est créé par les particules
chargées accélérées le long de ces lignes de
champ ouvertes.
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Recherche d’un signal pulsé avec Fermi
Il existe deux principales méthodes de recherche d’un signal pulsé dans le
domaine des rayons gamma:
-
pour les pulsars connus en radio : emploi d’éphémérides radio (jeu de
données contenant la position du pulsar, la fréquence ou période de
rotation et ses dérivées, …)
-
pour les sources non-détectées comme pulsées en radio : « recherche
à l’aveugle », utilisant divers algorithmes de recherche en fréquence.
Ces éphémérides permettent de calculer pour
chaque photon détecté une phase. Celle-ci
représente une fraction dans la rotation du
pulsar.
On « empile » ensuite les photons en fonction
de leur phase pour obtenir un phasogramme.
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Pourquoi étudier les pulsars avec Fermi?
Informations obtenues par les
observations :
- Nombre de pics
dans le
- Séparation des pics
phasogramme
- Décalage aux différents l
- Forme du spectre en énergie
Déductions :
- Inclinaison du pulsar 
- Angle de visée
- Zone d’émission g
radio
L’observation des pulsars avec
Fermi permettrait de connaître
la géométrie de l’émission g.
Modèles et zones d’émission
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Qu’est-ce qu’une nébuleuse de pulsar?
Flot de particules
Pulsar
Après l’explosion en supernova, le
pulsar émet un vent de particules
chargées (e±) à des vitesses très
importantes.
Une onde de choc se forme à
proximité du pulsar, zone
d’accélération des particules.
Or, toute particule chargée étant
accélérée rayonne des photons.
Nébuleuse
de pulsar
Vestige de
supernova
Description schématique d’une nébuleuse
de pulsar entourée par un vestige de
supernova
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Mécanismes d’émission dans les nébuleuses
de pulsar
2 principaux mécanismes d’émission non
thermique:
•
Du domaine radio aux rayons X : émission
synchrotron des particules chargées au
niveau de l’onde de choc
•
Des rayons X aux rayons gamma de très
haute énergie : émission Compton Inverse
des particules chargées sur les photons
ambiants (CMB, poussière, photons
synchrotron, …)
L’étude de l’émission provenant des nébuleuses
de pulsars permet la compréhension des
phénomènes d’accélération de particules au
niveau du choc et une meilleure connaissance
des phénomènes physiques ayant lieu à
proximité du pulsar.
Pulsar
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Nébuleuse du Crabe
Sommaire
1. Le pulsar et son environnement
2. Premiers résultats de Fermi
3. Analyses en cours :
•
analyse spectrale : l’exemple de la région du
Crabe
•
estimation de l’extension d’une source
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Détection de pulsars avec EGRET et Fermi
• EGRET :
– 7 pulsars détectés en rayons gamma
– Geminga est le seul à ne pas émettre dans le domaine radio
• Fermi :
– ~100 pulsars attendus pendant les premières années
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Les pulsars EGRET vus par Fermi :
Vela (2 cycles, P=89.3 ms)
Geminga (2 cycles, P=237.1 ms)
En quelques jours,
Fermi a confirmé les
pulsars découverts
par EGRET.
Premières
images de Fermi
(30 Juin – 4
Juillet 2008)
Crab pulsar (P=33.4 ms)
PSR B1706-44 (2 cycles, P=102.4 ms)
PSR B1055-52 (2 cycles, P=197 ms)
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Objets compacts centraux (CCO) de
nébuleuses de pulsar (PWNe)
Les nébuleuses jeunes sont alimentées par les pulsars, mais certaines
ne contiennent pas d’étoile à neutrons connue :
• Etablissement d’une liste de nébuleuses de pulsars (dans le cadre
du premier catalogue de PWNe avec Fermi)
• Sélection des PWNe n’ayant pas de pulsar connu mais contenant
un CCO détecté en X : ce sont de très bons candidats pulsars
• Application de l’algorithme de recherche à l’aveugle sur ces
candidats
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Découverte d’un pulsar dans le vestige de
supernova CTA1
CTA1
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Etat des lieux avant le lancement de Fermi
-
Vestige de supernova détecté dans le domaine radio (1960)
Observation d’une nébuleuse de pulsar observée dans le domaine des rayons
X (1995)
- Source ponctuelle détectée en rayons X par le satellite Chandra (2004) à
l’intérieur du vestige de supernova. Aucune pulsation n’est observée jusqu’au
lancement de Fermi.
 Présence d’une étoile à neutrons à proximité ?
 La source ponctuelle est un candidat pulsar important
Détection d’une source par le satellite EGRET (rayons gamma) dans le vestige
de supernova (1991-2001).
 Une détection par Fermi est fortement attendue
-
Vestige de supernova vu en radio
Source ponctuelle vue en X
Détection EGRET (contours 15
violets)
superposée à l’émission de la
nébuleuse en X
Découverte d’un pulsar dans le vestige de
supernova CTA1
Premier article de la collaboration
Fermi après lancement, publié
dans Science Express!
Découverte d’un pulsar non détecté
en radio dans le vestige de
supernova CTA1, par application
de la recherche en aveugle
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Phasogramme du pulsar détecté
Découverte d’un pulsar dans le vestige de
supernova CTA1
Découverte du pulsar (cercle rouge) non
détecté en radio, coïncidant avec la
source ponctuelle détectée dans le
domaine des rayons X (croix).
Détection compatible avec une
observation du satellite EGRET
(cercle bleu).
30/06/08 – 30/07/08 : 900 photons au dessus
de 100 MeV
Flux (>100 MeV) ~ 3.8e-7 cm-2.s-1
Données obtenues avec Fermi :
• P ~ 317 ms
• dP/dt ~ 3.6e-13 s/s
• Ė = 4.5e35 ergs/s
• B = 1.1e13 G
• Age ~ 10,000 yr
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Sommaire
1. Le pulsar et son environnement
2. Premiers résultats de Fermi
3. Analyses en cours :
•
analyse spectrale : l’exemple de la région du
Crabe
•
estimation de l’extension d’une source
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Etude de la région du Crabe
1. Etude de la nébuleuse :
La résolution angulaire de Fermi ne
permet pas une distinction
spatiale de la nébuleuse et du
pulsar.
 on se restreint donc à la partie
non pulsée de l’émission, à
l’aide du phasogramme, pour
l’étude de la nébuleuse.
La bande d’énergie 50 MeV-10
GeV, dans le spectre de la
nébuleuse, a été couverte par
EGRET. Pas de mesures entre
10 GeV et 200 GeV.
Emission
non pulsée
Phasogramme du pulsar du Crabe
Fermi
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Spectre de la nébuleuse du Crabe
Etude de la région du Crabe
2. Etude du pulsar :
L’analyse est réalisée sur l’ensemble de la
phase. L’émission de la nébuleuse
constitue un « fond » pour l’étude du
pulsar.
Le spectre dans la bande d’énergie 50
MeV-300 GeV, dans le spectre du pulsar,
est assez mal connu, voire inconnu (cf.
haute énergie).
NB: Une détection de signal pulsé a été
observée récemment au dessus de 25
GeV par MAGIC (astro-ph/0809.2998).
Fermi
Spectre du pulsar du Crabe
L’étude de la région du Crabe pourra nous permettre d’une part de mieux connaître
les mécanismes d’émission au niveau de la nébuleuse mais aussi du pulsar, et
d’autre part de réaliser une calibration croisée avec les expériences Cherenkov au
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sol (HESS, MAGIC…).
Estimation de l’extension des sources
Outil permettant d’estimer l’extension d’une source et de réaliser son
analyse spectrale en conséquence :
• développement de code
• tests sur simulations (avec fonds plus ou moins réalistes)
• Application aux données réelles : à venir
Intérêt primordial pour l’étude de différents types de sources :
nébuleuses de pulsars, vestiges de supernovae, amas de galaxies, …
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Conclusions
1ers résultats très motivants :
• Détection (en moins de 4 jours) par Fermi des pulsars observés par
son prédécesseur EGRET
• Détection d’un pulsar de type Geminga (muet en radio) et première
publication dès 4 mois après le lancement
• D’autres papiers en cours…
Analyses en cours :
• Etudes des nébuleuses et de leur pulsar, notamment dans la région
du Crabe
• Implications fortes sur les mécanismes d’accélération et d’émission
dans l’environnement du pulsar
• Intérêt instrumental dans la calibration entre Fermi et les
expériences Cherenkov au sol (MAGIC)
• Etude de l’extension des sources
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Extra slides
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Processus radiatifs
• Rayonnement synchrotron
• Diffusion Compton Inverse
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Qui participe à la campagne
d’éphémérides?
Parkes (Australie) : 205 pulsars
Jodrell Bank (Angleterre) : 102 pulsars
RXTE (spatial) : 5 pulsars
Green Bank (USA) : 6 pulsars
+ autres contributeurs.
Notamment : Arecibo (Porto
Rico) : 1 pulsar, Urumqi
(Chine) : 36 pulsars
Nançay : Accès au données !
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Nançay (près Orléans) : 156 pulsars
En avant-première!!!
Détection d’émission pulsée :
PSR J1028-5918
PSR J0030+0453
PSR J2021+3651
…
15 pulsars radio
6 pulsars
EGRET
Préliminaire !
14 nouveaux pulsars
détectés en blind search
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