A la poursuite des accélérateurs cosmiques, à l’aide des particules de haute énergie

Chasing the cosmic accelerators with high energy astroparticles

• Auteur / Autrice : Claire Guépin
• Direction : Kumiko Kotera
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique
• Date : Soutenance le 14/06/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'astrophysique de Paris (1936-....)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Daigne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sera Markoff, Benoït Cerutti
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marianne Lemoine-Goumard, Francis Halzen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pulsars

Astrophysique des neutrinos

Rayonnement cosmique

Accélérateurs cosmiques

Mots clés libres

Astroparticules

Multimessagers

Transients

Pulsars

Accélération

Interactions

Astroparticles

Multimessengers

Transients

Pulsars

Acceleration

Interactions

Résumé

À l’ère de l’astronomie des messagers multiples et des phénomènes transitoires, des perspectives nouvelles s’ouvrent pour l’étude des phénomènes les plus énergétiques de notre univers, et pour dévoiler l’origine mystérieuse des rayons cosmiques d’ultra-haute énergie (RCUHE) et des neutrinos de haute énergie (HE). Les rayons cosmiques sont des particules clés dans la production de rayonnement non thermique et, plus généralement, d’émissions multi-messagers. Dans cette thèse, nous développons plusieurs outils analytiques et numériques pour étudier l’accélération et les interactions des rayons cosmiques au sein des sources énergétiques. Les neutrinos HE attestant que de tels phénomènes sont à l’œuvre, nous étudions le caractère détectable de sursauts de neutrinos provenant de sources éphémères. Nous identifions alors deux catégories de sources intéressantes, les pulsars et les événements de rupture par effet de marée. Nous montrons, avec des simulations particulaires, que les pulsars peuvent accélérer des rayons cosmiques. Nous démontrons qu’une population de pulsars milli-secondes situés au centre de notre Galaxie peut expliquer l’émission diffuse en rayons gamma observée par le détecteur HESS. De plus, une population extragalactique d’événements de rupture par effet de marée produisant des jets relativistes peut expliquer le spectre et la composition des RCUHE mesurées par l’expérience Auger, mais ne peut pas produire les neutrinos HE détectés pas l’expérience IceCube. Enfin, nous participons au développement de techniques nouvelles visant à détecter et reconstruire les propriétés des neutrinos de très haute énergie et des RCUHE, dans le cadre des projets POEMMA et GRAND.

The advent of time-domain and multimessenger astronomy opens new perspectives to study the most energetic phenomena of our universe, and understand the mysterious origins of ultra-high-energy cosmic rays (UHECR) and high-energy (HE) neutrinos. Cosmic rays appear as key players in the production of non-thermal and, more generally, multimessenger emissions. In this thesis, we develop several analytical and numerical tools to study the acceleration and interactions of cosmic rays in the vicinity of energetic sources. As HE neutrinos are clear signatures of these processes, we study the detectability of HE neutrino flares from transient sources. We identify two interesting categories of sources, namely pulsars and tidal disruption events. We show with particle-in-cell simulations that pulsars can accelerate high-energy cosmic rays. We demonstrate that a population of millisecond pulsars located in the Galactic bulge can explain the di↵use gamma-ray emission observed by the HESS detector. Moreover, an extragalactic population of tidal disruptions by massive black holes powering relativistic jets can reproduce the spectrum and composition of UHECRs measured by the Auger experiment, but cannot produce the HE neutrinos detected by the IceCube experiment. Finally, we participate to the development of novel techniques that aim at detecting and reconstructing the properties of very-high-energy (VHE) neutrinos and UHECRs, in the context of the POEMMA and GRAND projects.