Modélisation unifiée de l'émission d'AGN détectés en rayons gamma

Unified jet emission modeling for gamma-loud AGN

• Auteur / Autrice : Gaëtan Fichet de Clairfontaine
• Direction : Andreas Zech, Zakaria Meliani
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 20/09/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• 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)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Observatoire de Paris (1667-....)
• Jury : Président / Présidente : Françoise Combes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Andreas Zech, Zakaria Meliani, Jose Maria Marti, Julien Malzac, Iván Agudo, Patrizia Romano, Alexandre Marcowith
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jose Maria Marti, Julien Malzac

Mots clés

Mots clés contrôlés

Astrophysique

Noyaux actifs de galaxies

Mots clés libres

Chocs relativistes

Noyaux actifs de galaxies

H.E.S.S. et CTA

Modélisation d'émission radiative

Rayons gamma aux très hautes énergies

Simulations MHD

Radiative emission modelling

Relativistic shocks

MHD simulations

Active galactic nuclei

Very high energy gamma-Rays

H.E.S.S. and CTA

Résumé

Les noyaux actifs de galaxies (AGN) sont observés sur l'ensemble du spectre électromagnétique, de la bande radio jusqu'au rayonnement gamma de très hautes énergies. Une part importante du flux est émise depuis les jets relativistes qui sont une composante essentielle des AGN. Le rayonnement est non thermique et il peut être expliqué via la présence d'une population de particule relativiste accélérée aux hautes énergies. Les observations radio very long baseline interferometry (VLBI) trahissent la présence d'une grande variété de zones d'émission nommées nœuds. Certains nœuds sont quasi stationnaires et d'autres se propagent le long du jet. Le déplacement de tels nœuds semble être corrélé avec une certaine variabilité multilongueurs d'onde. Toutefois, les caractéristiques de cette variabilité, notamment sa durée, évoluent avec la fréquence et laissent envisager la présence de mécanismes complexe d'accélération des particules et de refroidissement. L'ensemble de ces contraintes observationnelles permet d'envisager la construction d'un modèle unifié de l'émission d'AGN détectés en rayons gamma. L'approche avancée dans ce manuscrit repose sur le scénario dit "choc - choc''. Ce dernier s'appuie sur l'idée que des interactions entre des chocs en mouvement et quasi stationnaires permettent d'expliquer une grande part des observations multilongueurs d'onde. Dans ce manuscrit, nous proposons donc un modèle cohérent permettant de combiner l'utilisation de simulations magnétohydrodynamiques en relativité restreinte pour modéliser différents types de jets relativistes (code MPI-AMRVAC) avec un traitement du transfert radiatif (code RIPTIDE). Le code RIPTIDE a été développé pendant la thèse et permet d'interpréter les résultats de MPI-AMRVAC en simulant le rayonnement synchrotron (et Synchrotron Self-Compton (SSC)) provenant d'une population d'électrons non thermiques relativistes. L'obtention de cartes de flux, mais aussi de courbes de lumières, permet de comparer nos résultats à de véritables observations. La nature relativiste du jet impose la prise en compte de nombreux effets relativistes comme le Doppler beaming et le light crossing effect (LCE) qui sont totalement pris en compte dans RIPTIDE.Ce modèle a pour but de reproduire le rayonnement multilongueurs d'onde observée dans certains types d'AGN via le scénario choc - choc. Pour ce faire, différents types de jets ont pu être testés. Certains présentant une structuration transverse et d'autres présentant une structure de champ magnétique à large échelle. Nous révélons que la présence de telles structures influence fortement les caractéristiques des chocs stationnaires présents dans le jet. Le jet est sujet à une perturbation qui permet l'émergence d'une onde de choc mobile qui va interagir et déstabiliser les chocs stationnaires. Selon l'intensité de cette interaction, nous pourrons observer l'oscillation des chocs stationnaires perturbés voir leur dérive à l'arrière du choc mobile. Nous formalisons dans ce manuscrit l'émergence et la propagation de tels chocs nommés ici chocs de relaxation. L'ensemble de ces composantes dispose de leurs propres signatures en rayonnements. Les chocs en mouvements génèrent de multiples éruptions multilongueurs d'onde lors des interactions choc - choc et les chocs de relaxations montrent des marqueurs observationnels plus complexes. Nos résultats ont pu être comparés avec de véritables observations provenant de diverses sources. Ces comparaisons qualitatives montrent des résultats encourageants et prometteurs laissant penser que le scénario choc - choc est susceptible d'expliquer une partie des observations. L'ajout récent du processus SSC et futur de la polarisation synchrotron laisse entrevoir de futures comparaisons pouvant permettre la modélisation unifiée des AGN détectés en rayons gamma.

Active galactic nuclei (AGN) are observed over the entire electromagnetic spectrum, from the radio band to the very high energy gamma band. An important part of the flux is emitted from relativistic jets, which are an essential component of AGN. The radiation is non-thermal and can be explained through the presence of an accelerated relativistic particle population at high energies. Radio observations from very long baseline interferometry (VLBI) show the presence of a wide variety of emission zones called nodes; some nodes are quasi-stationary and others propagate along the jet. The movement of such nodes appears to be correlated with some multi-wavelength variability. However, the characteristics of this variability, in particular its duration, evolve with frequency and suggest the presence of complex particle acceleration and cooling mechanisms.All these observational constraints allow considering the construction of a unified model of the emission of AGN detected in gamma rays. The approach proposed in this manuscript is based on the so-called "shock - shock'' scenario. The latter is based on the idea that interactions between moving and quasi-stationary shocks can explain a large part of the multi-wavelength observations.In this manuscript, we propose a coherent model that combines the use of special relativity magnetohydrodynamic (SR-MHD) simulations to model different types of relativistic jets (MPI-AMRVAC code) with a treatment of the radiative transfer (RIPTIDE code). The code RIPTIDE was developed during the thesis and allows to interpret the results of MPI-AMRVAC by simulating the synchrotron radiation (and Synchrotron Self-Compton (SSC)) coming from a population of relativistic non-thermal electrons. Obtaining flux maps but also light curves allows us to compare our results to real observations. The relativistic nature of the jet imposes to take into account many relativistic effects such as the Doppler beaming and the light crossing effect (LCE) which are fully taken into account in this work.This model aims at reproducing the multi-wavelength radiation observed in some types of AGN through the shock-shock scenario. To do so, different types of jets could be tested; some with transverse structuring and/or others with a large-scale magnetic field structure. We reveal that the presence of such structures strongly influences the characteristics of the stationary shocks present in the jet. The jet is subject to a perturbation that allows the emergence of a mobile shock wave that will interact and destabilize the stationary shocks. Depending on the intensity of this interaction, we will be able to observe the oscillation of the disturbed stationary shocks or even their drift behind the mobile shock. We formalize in this manuscript the emergence and the propagation of such shocks, named here relaxation shocks.All these components have their own radiation signatures. The stationary structure of the jet shows a more or less extensive emission depending on the energy considered, the cooling of the electrons being faster at the highest energies. The moving shocks generate multiple multi-wavelength flares during shock-shock interactions, and the relaxation shocks show more complex observational markers.Our results could be compared with real observations from various sources. These qualitative comparisons show encouraging and promising results, suggesting that the shock-shock scenario is likely to explain part of the observations. The recent addition of the SSC process and the future addition of synchrotron polarization suggest future comparisons that may allow the unified modeling of AGN detected in gamma rays.