Simulation numérique de la magnétosphère des pulsars : étude détaillée de processus radiatifs

Numerical simulation of pulsar magnetospheres : detailed study of radiative processes

• Auteur / Autrice : Guillaume Voisin
• Direction : Fabrice Mottez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 23/10/2017
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LUTH Laboratoire Univers et Théories (Observatoire de Paris - Section de Meudon) - Laboratoire Univers et Théories (LUTH)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Observatoire de Paris (1667-....)
• Jury : Président / Présidente : Jérôme Novak
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabrice Mottez, Alice Harding, Alexandre Marcowith, Paulo Freire, Ismaël Cognard, Benoït Cerutti
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alice Harding, Alexandre Marcowith

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Transfert radiatif

Magnétosphère

Étoiles à neutrons

Pulsars

Mots clés libres

Pulsar

Magnétosphère

Étoiles à neutrons

Simulation numérique

Processus radiatifs

Pulsar

Magnetosphere

Neutron star

Numerical simulation

Radiative processes

Résumé

Les pulsars sont des étoiles à neutron hautement magnétisées en rotation rapide produisant un rayonnement pulsé. Cette thèse est dédiée à leur magnétosphère, c'est à dire la zone proche de l'étoile à neutron, remplie d'un plasma entraîné par la rotation rapide de celle-ci. Il a été montré dès 1969 que la magnétosphère doit avoir des zones très peu denses arborant des champs électriques intenses capables d'accélérer le plasma raréfié de ces régions à des énergies très élevée le long du champ magnétique. La courbure des lignes de champ, couplé avec la rotation d'une particule autour du champ, cause un rayonnement dit de « synchro-courbure ». L'énergie est rayonnée essentiellement en photons gamma (g). Ces photons peuvent ensuite être convertis par interaction quantique photon γ-champ magnétique ou γ-γ en une paire électron-positron e+e- dont chaque composante rayonne à son tour, résultant en une cascade qui alimente la magnétosphère en plasma. Cette thèse traite particulièrement de deux phénomènes clefs de ces cascades : le rayonnement de synchro-courbure et la création de paires par interaction γγ.La théorie quantique du rayonnement de synchro-courbure est développée pour la première fois à partir des principes de base de l'électrodynamique quantique. Les paramètres compatibles avec les approximations du calcul correspondent à une large gamme de conditions physiques typiques des magnétosphères de pulsars. Les transitions quantiques sont considérées dans l'approximation continue lorsqu'elles impliquent un saut de l'impulsion de la particule dans la direction parallèle au champ, et discrète dans la direction perpendiculaire. Il en résulte un spectre tendant asymptotiquement vers les descriptions classiques des rayonnement de courbure et de synchro-courbure mais présentant des déviations très importantes lorsque les transitions discrètes dominent le rayonnement.L’interaction γγ→e+e- a été étudiée dans le cas où un gamma réagit sur un fond de photons de basse énergie. Ce mécanisme est considéré comme potentiellement important lorsque le champ magnétique n'est pas assez fort pour produire des paires par le mécanisme γ-champ magnétique. Tout indique que le fond est anisotrope, c'est pourquoi nous avons développé un formalisme permettant de prendre en compte arbitrairement les anisotropies et de produire les spectres des particules produites. Appliqué à un modèle simple d'étoile rayonnant thermiquement en X, il en résulte une dépendance forte du taux de réaction sur la direction du photon gamma.Cette thèse comprend également un modèle de chronométrage du pulsar milliseconde dans un système triple J0337+1715. Ce pulsar orbite avec deux étoiles naines blanches dont les interactions mutuelles ne sont pas négligeables. Une intégration numérique, à l'ordre newtonien et post-newtonien, a été développée pour déterminer les orbites. Un modèle complet incluant le calcul des retards du système du pulsars au télescope a été réalisé. Le modèle s'ajuste aux données de chronométrage provenant du radiotélescope de Nançay avec des résidus d'écart-type inférieur à 2 µs. Un tel système permet en principe le test du principe d'équivalence fort gravitationnel par une technique similaire à celle employée lors des expériences de laser-lune, mais avec une précision sans précédent en régime de champ fort. Ce test requiert une évaluation rigoureuse des incertitudes sur chaque paramètre, échantillonnées grâce à un code MCMC. La validation du code et l'évaluation des incertitudes sont en cours.

Pulsars are highly magnetized fast rotating neutron stars producing a pulsed radiation. This thesis is dedicated to their magnetosphere, namely the zone surrounding the star and filled with a plasma dragged by the rotation of the star. It was shown as soon as 1969 that the magnetosphere must have vacuum gaps, where intense electric fields develop that are capable of accelerating the rarefied plasma to very high energies along the magnetic field. The curvature of the field lines, together with the rotation around the magnetic field, results in the so-called « synchrocurvature » radiation. The energy is mostly radiated in gamma photons (γ). These photons may then be converted by the quantum processes γ photon-magnetic field or γ-γ in an electron-positron pair e+e-, each component of which then radiates at its turn which results in a cascade that provides plasma to the magnetosphere. This thesis particularly deals with two key phenomena of these cascades : synchrocurvature radiation and γγ pairs.The quantum theory of synchrocurvature radiation is developed for the first time from the first principles of quantum electrodynamics. The range of parameters compatible with the approximations of the derivation covers a wide range of physical conditions typical of pulsar magnetospheres. Quantum transitions are considered in the continuous limit when they imply a jump of the particle impulsion parallel to the magnetic field, and discrete when the jump is in the perpendicular direction. It results in a spectrum that asymptotically tends to the classical descriptions of curvature and synchrocurvature radiations but that presents very important deviations when the discrete transitions dominate the radiation.The γγ→e+e- process was studied in the case of the reaction of a gamma photon on a soft photon background. This mechanism is considered as potentially important when the magnetic field is nopt strong enough for the γ-magnetic field process to efficiently produce pairs. The soft background is most likely anisotropic, and that is why we developed a formalism allowing to arbitrarily take into account anisotropies, as well as produce the spectra of the outgoing particles so as to be able to feed the subsequent cascade consistently. Applied to a simple model of a star radiating thermal X rays, it results in a strong dependence of the reaction rate on the direction of the gamma photon.This thesis also includes a timing model of the millisecond pulsar in a triple system J0337+1715. This pulsar orbits with two white-dwarf stars, and their mutual interactions are not negligible. It follows that a numerical integration of the orbits was developed at Newtonian and first post-Newtonian orders. A complete model including the computation of delays from the star to the telescope was realized. This model is able to fit the timing data from the Nançay (France) radiotelecope with a standard deviation of less than 2µs. In principle, such a system allows to test the strong equivalence principle by a technique similar to that employed in Lunar-laser-ranging experiments, but with an unprecedented accuracy in the strong-field regime. This test demands a careful estimate of the uncertainties on each parameter, which we sample using a MCMC code. The validation of the code and the evaluation of the uncertainties are ongoing.