Models multimessager de source de rayon cosmiques de rayons gamma et de neutrinos

Models of multi-messenger source of cosmic rays, gamma-rays and neutrinos

• Auteur / Autrice : Makarim Bouyahiaoui
• Direction : Dmitri Semikoz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'univers
• Date : Soutenance le 03/12/2021
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AstroParticule et Cosmologie (Paris ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Étienne Parizot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dmitri Semikoz, Étienne Parizot, Martin Lemoine, Grigory Rubtsov, Stefano Gabici, Kumiko Kotera
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Martin Lemoine, Grigory Rubtsov

Mots clés

Mots clés contrôlés

Anisotropie

Supernovae

Rayonnement cosmique

Mots clés libres

Rayons cosmiques ''genou''

Diffusion anisotrope

Supernova Vela

Neutrinos galactiques

Cosmic rays knee

Anisotropic diffusion

Vela supernova

Galactic neutrinos

Résumé

On pense que les rayons cosmiques jusqu'à l'énergie du « genou » autour de 4 PeV, ou le spectre change d'index, sont produits dans la galaxie de la Voie lactée à partir d'explosions de super nova. Récemment, il a été admis que le champ magnétique galactique régulier à grande échelle joue un rôle crucial dans la diffusion anisotrope des rayons cosmiques et les aide à s'échapper de la galaxy. Une telle diffusion anisotrope conduit à un nombre beaucoup plus petit de sources contribuant à n'importe ou dans la Galaxie. Seule une petite fraction de supernova peut accélérer les particles jusqu'aux énergies PeV. Avec la diffusion anisotrope, cela conduit à une contribution significative ou même dominée des sources individuelles au spectre local des rayons cosmiques autour du « genou ». Dans ce travail, nous modélisons la contribution du rémanent de la supernova Vela, étant la plus proche de notre système solaire, et nous calculons le flux local de rayons cosmique reçus en tenant compte à la fois de l'influence de la Superbulle Locale et de l'effet d'une diffusion anisotrope. Nous avons constaté que le champ magnétique dans la paroi de la bulle empêche les particules à faible énergie de pénétrer dans la bulle, entraînant une suppression dépendante de l'énergie des rayons cosmique de Vela à l'intérieur de la bulle. Nous avons réussit à reconstituer le « genou » observé dans le spectre des rayons cosmiques d'énergie 3-5 PeV. Grâce à la contribution de Vela et d'une source locale plus ancienne de 2-3 Myr, nous avons pu expliquer le spectre des rayons cosmiques de TeV à 100 PeV. Ensuite, nous avons étudié la production de particle secondaires tel que les neutrinos et les rayons gamma issus de l'interaction des rayons cosmiques avec des énergies allant jusqu'au PeV dans la paroi de la Bulle Locale. Nous montrons qu'un tel scénario peut générer une fraction substantielle du flux astrophysique de neutrinos de haute énergie observé en dessous de ~ quelques × 100 TeV. Enfin, nous étendons notre étude à toutes les autres jeunes supernovae à moins de 1 kpc de nous. Nous avons calculé la densité de rayons cosmiques autour de chaque source, en supposant une diffusion anisotrope. Nous avons utilisé des modèles récents de distribution de poussière dans le milieu interstellaire local extraits d'études d'extinction des données de Gaia. En combinant les densités de rayons cosmique obtenues avec la distribution de matière déduite des cartes d'extinction, nous trouvons deux hotspot importants : l'un des d'eux est proche du point le plus significatif de la recherche de sources ponctuelles de IceCube.

Cosmic rays up to knee energy around 4 PeV, at which their spectrum sharply steapens, are believed produced in Milky Way galaxy from super nova explosions. Recently it was understood that large scale magnetic field of Galaxy plays crucial role in the anisotropic diffusion of cosmic rays and help them to escape from Galaxy. Such anisotropic diffusion lead to much smaller number of sources contributing to any point of Galaxy. Only small fraction of supernova can accelerate to PeV energies. Together with anisotropic diffusion this leads to significant or even dominated contribution of individual sources to local cosmic ray spectrum around knee. We model the contribution of the nearest young supernova remnant Vela to the local CRs flux taking into account both the influence of the Local Superbubble and the effect of anisotropic diffusion. We found that the magnetic field in the bubble wall prevents low-energy particles penetrate into the bubble, leading to an energy-dependent suppression of CRs from Vela inside the bubble. We recovered the knee observed in the CRs spectrum of energy 3-5 PeV. By the contribution of Vela and an older local source of 2-3 Myr supernova we were able to explain the CRs spectrum from TeV to 100 PeV. Then. We studied secondary neutrinos and gamma rays produced by interactions of cosmic rays with energies up to PeV in the wall of the Local Bubble. We show that such a scenario can generate a substantial fraction of the observed astrophysical high-energy neutrino flux below ~ few × 100 TeV. Finally, we extend our study to all other young supernova remnants at less than 1 kpc from us. We calculated the CRs density around each source, assuming anisotropic diffusion. We used recent models of dust distribution in the local ISM extracted from extinction studies of Gaia data. Combining the obtained CRs densities with the matter distribution deduced from extinction maps, we found two prominent hot spots: One of them is close to highest intensity hot spot in IceCube 10 years data