Le flux et la propagation des rayons cosmiques dans des nuages atomiques magnétisés

Cosmic-ray flux and propagation in magnetised atomic clouds

• Auteur / Autrice : François R. Kamal Youssef
• Direction : Isabelle Grenier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'univers
• Date : Soutenance le 15/12/2023
• 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 : Astrophysique Instrumentation Modélisation (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Fabien Casse
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Isabelle Grenier, Luigi Tibaldo, Julia Tjus
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alexandre Marcowith, Pierre Jean

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sections efficaces (physique nucléaire)

Champs magnétiques

Poussière cosmique

Matière interstellaire

Rayonnement cosmique

Rayons gamma

Mots clés libres

Rayons gammas

Rayons cosmiques

Milieu interstellaire

Poussières

Champ magnétique

Propagation

Coefficient de diffusion

Sections efficace hadronic

Bremsstrahlung

Milieu local

Gamma medium

Cosmic rays

Rays Intertsellar

Dust

Magnetic field

Propagation

Diffusion coefficient

Hadronic cross sections

Bremsstrahlung

Solar neighbourhood

Résumé

Plusieurs théories et modèles ont été élaborés pour comprendre la propagation des rayons cosmiques et leurs interactions avec le milieu interstellaire de la Galaxie. Les observations avec Fermi-LAT des rayons gamma produits par les interactions entre les rayons cosmiques et le gaz ont été utilisées pour sonder le spectre des particules de quelques GeV à plusieurs TeV à travers la Galaxie. Compte tenu de l'incertitude de 10 à 15% inhérente aux observations HI à 21cm sur la masse du gaz, les mesures gamma effectuées dans plusieurs nuages proches montrent un flux de rayons cosmiques assez uniforme à moins d'environ 1kpc du Soleil. Un déficit de 30 à 50% du flux de rayons cosmiques a été mesuré dans un cirrus proche nommé Eridu, situé à proximité de la superbulle d'Orion-Eridanus. Nous avons examiné comment le flux des rayons cosmiques dans les nuages locaux, notamment dans Eridu, se comparait aux observations directes près du Système Solaire. Nous avons ensuite étudié si la configuration magnétique d'Eridu pouvait favoriser l’évasion des particules hors du nuage. Pour cela nous avons étudié le flux dans Reticulum, un autre nuage similaire. Il présente des caractéristiques communes avec Eridu en distance, orientation, état du gaz et configuration magnétique. En utilisant les spectres les plus récents de noyaux et de leptons cosmiques hors de l'héliosphère, ainsi que des sections efficaces récentes pour les interactions hadroniques, nous avons calculé l'émissivité gamma que l'on pourrait attendre près du Soleil et nous l'avons comparé aux mesures effectuées dans les nuages proches. Pour mesurer l'émissivité gamma par nucléon de gaz dans Réticulum, nous avons utilisé 14 ans de données de Fermi-LAT dans l'intervalle 0,16 à 63GeV. Nous avons estimé les densités de colonne de gaz dans les phases atomique et moléculaire de Reticulum et des différents nuages dans cette région pour modéliser l'émission gamma observée en combinant leurs contributions. L'émissivité attendue près du Soleil dépend du choix de section efficace parmi les paramétrisations les plus récentes disponibles. La différence dépasse trente pour cent dans les rayons gamma proches d'un GeV. Cette incertitude empêche de savoir si le flux de rayons cosmiques qui diffusent dans Eridu est comparable ou inférieur à celui qui atteint l'héliosphère. Elle empêche également de savoir si le spectre moyen de rayons cosmiques mesuré sur 1kpc autour du Soleil est supérieure ou comparable à celui qui atteint l'héliosphère. Dans Réticulum, nous avons trouvé une émissivité compatible avec le spectre moyen local et plus élevé de 57% ± 9% que dans Eridu. Nous n'avons trouvé aucune différence notable entre les deux nuages en ce qui concerne les propriétés du gas (densité volumique et compressibilité du gaz, rapport entre les pressions magnétique et thermique, dispersion de vitesse du gaz, amplitude du champ magnétique projeté' sur le ciel et dispersion dans l'orientation des lignes de champ). Nous avons trouvé des coefficients de diffusion similaires le long du champ magnétique dans le scénario d'auto-confinement des rayons cosmiques. Ces ressemblances entre les nuages ne permettent pas d'expliquer la perte de flux dans ce dernier. Toutes ces investigations ont été menées à une échelle d'environ 1pc et non à l'échelle beaucoup plus petite du rayon de giration des particules qui est inaccessible aux observations. Même si la perte de rayons cosmiques dans Eridu demeure inexpliquée, la comparaison de ces deux nuages fournira des contraintes importantes pour étudier comment la turbulence magnétohydrodynamique et son amortissement par les interactions ions-neutres ainsi que l'emmêlement des lignes de champ magnétique par les mouvements turbulents du gaz régulent la diffusion des rayons cosmiques dans la phase atomique des nuages qui forme la phase principale du milieu interstellaire

Several theories and models have been developed to understand cosmic-ray propagation and their interactions with the interstellar medium of the Galaxy. Observations with Fermi-LAT of the gamma rays produced by interactions between cosmic rays and gas have been used to probe the spectrum of particles from a few GeV to several TeV across the Galaxy. Given the 10-15% uncertainty inherent in 21cm observations regarding the gas, the gamma-ray measurements made in several nearby clouds show a fairly uniform cosmic-ray flux within about 1kpc of the Sun. A 30-50% deficit in cosmic-ray flux has been measured in a nearby cirrus cloud called Eridu, located in the vicinity of the Orion-Eridanus superbubble. We have examined how the cosmic-ray flux in local clouds, notably in Eridu, compares with direct observations near the Solar System. We have then studied whether the magnetic configuration of Eridu could favour the escape of particles from the cloud. To do this, we have studied the flux in Reticulum, another similar. It shares many characteristics with Eridu in terms of distance, orientation, gas state, and magnetic configuration. Using the most recent spectra of cosmic nuclei and leptons outside the heliosphere, as well as recent cross sections for hadronic interactions, we have calculated the gamma-ray emissivity expected near the Sun and we have compared it with measurements made in nearby clouds. In order to measure the emissivity per gas nucleon in Reticulum, we have used 14 years of data from Fermi-LAT in the interval 0.16 to 63GeV. We have estimated the gas column densities in the atomic and molecular phases of Reticulum and of the clouds in this region in order to model the observed gamma-ray emission by combining their contributions. The expected emissivity near the Sun depends on the choice of cross section among the most recent parameterisations available. The difference exceeds thirty percent in gamma rays near one GeV. That uncertainty makes it impossible to know whether the cosmic-ray flux diffusing through Eridu is comparable to or less than that reaching the heliosphere. It also prevents us from knowing whether the average cosmic-ray spectrum measured within 1kpc around the Sun is greater than or comparable to that reaching the heliosphere. In Reticulum, we have found an emissivity that is fully compatible with the local average spectrum and that is 57% ± 9% larger than in Eridu. We have found no significant differences between the two clouds in the properties of the gas (density and compressibility of the gas, ratio between magnetic and thermal pressures, gas velocity dispersion, amplitude of the plane-of-sky magnetic field and dispersion in the orientation of field lines). We have found similar diffusion coefficients along the magnetic field in the cosmic-ray self-confinement scenario. These similarities between the clouds do not explain the loss of flux in the latter. All these investigations were carried out on a scale of about 1pc and not on the much smaller scale of the particle gyroradius, which is inaccessible to observations. Even if the loss of cosmic rays in Eridu remains unexplained, the comparison of these two clouds will provide important constraints for studying how magnetohydrodynamic turbulence and its damping by ion-neutral interactions, together with the tangling of magnetic field lines by turbulent gas motions, regulate the scattering of cosmic rays in the atomic phase of clouds, which forms the main phase of the interstellar medium.