Accélération de particules dans les vents relativistes et les jets de noyaux actifs de galaxies

Particle acceleration at ultra-fast outflows and relativistic jets of AGNi.

• Auteur / Autrice : Baptiste Le nagat neher
• Direction : Andreas Zech
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Astronomie et Astrophysique d'Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Univers et THéories
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Observatoire de Paris

Mots clés

Mots clés libres

Accélération de particules

Noyaux actifs de galaxies

Astronomie gamma

Emissions multimessagers

Particle acceleration

Agn

Gamma astronomy

Multimessenger emissions

Résumé

La détection combinée de divers messagers (ondes gravitationnelles, neutrinos, photons du domaine radio à celui des rayons gamma de très haute énergie, rayons cosmiques) marque une nouvelle ère dans l'astronomie moderne. Elle nous permet notamment d'avancer sur une question fondamentale de l'astrophysique encore ouverte : où sont produits les rayons cosmiques ? En effet, les sources des rayons cosmiques - des particules chargées relativistes qui nous arrivent de toutes les directions du ciel - qu'elles soient galactiques ou extragalactiques, pour des énergies allant jusqu'à la centaine d'EeV, sont encore inconnues. Quelle que soit la classe exacte de sources impliquées, il est probable que le mécanisme de Fermi du premier ordre appelé ' accélération diffusive par ondes de chocs ' soit en jeu, permettant l'accélération de particules chargées au niveau des ondes de choc astrophysiques fortes (de nombre de Mach >>1). L'omniprésence de ces ondes de choc à différentes échelles (des chocs galactiques à faible vitesse des restes de supernova aux chocs extragalactiques relativistes) nous permet d'étudier les détails de l'accélération des particules à travers l'étude de diverses sources astrophysiques. Récemment, les ‘ultra fast-outflows'(UFOs), qui sont des vents légèrement relativistes à grand angle d'ouverture autour des Noyaux Actifs de Galaxie (AGNi) ont attiré l'attention de la communauté en raison de leur potentiel en tant que sources multi-messagères. Le travail proposé vise à construire un modèle pour les émissions multi-messagers des UFOs - travail principalement semi-analytique, qui sera précieux pour étudier les perspectives de détection avec des instruments de génération tels que le Cherenkov Telescope Array (CTAO). L'accélération diffusive par ondes de chocs est également un mécanisme privilégié pour l'accélération des particules dans les jets relativistes des AGN radio-lourds. Si l'avancement du projet le permet, les études seront étendues pour inclure l'accélération des particules à l'intérieur de ces jets. particules à l'intérieur de ces jets. Différents scénarios peuvent être explorés avec les modèles numériques d'émission développés dans le groupe PHE ( Dmytriiev,A., Sol,H, Zech,A., MNRAS 505 (2021) 2712, Zacharias, M., Reimer, A., Boisson, C., Zech, A., MNRAS 512 (2022) 3948 ) qui modélisent la distribution en fonction du temps des particules accélérées et leur émission multi-messagers. La modélisation des éruptions rapides semble être une voie très prometteuse pour contraindre l'accélération sous-jacente. Les observables qui en résultent (par exemple courbes de lumière des éruptions les spectres en fonction du temps et les flux de particules) seront comparés aux données multi longueurs d'onde et multi-messager, et le travail permettra notamment de préparer les observations de CTAO.

The combined detection of various messengers (gravitational waves, neutrinos, photons from the radio to the very—high—energy gamma-ray domain, cosmic rays) marks a new era in modern astronomy. It especially allows us to move forward on a still open fundamental question of astrophysics: where are cosmic rays produced? Indeed, the sources of cosmic rays - relativistic charged particles arriving to us from all directions of the sky - whether Galactic or extragalactic (energy up to hundreds of EeV) are still unknown. Regardless of the exact class of sources involved, it is likely that the first-order Fermi mechanism called «Diffusive shock acceleration» is at play, allowing the energization of charged particles at astrophysical strong ( of Mach number >>1 ) shock waves. The ubiquity of such shock waves on various scales (from low-velocity Galactic shocks of supernova remnants to relativistic extragalactic shocks) allows us to investigate the details of particle acceleration through the study of various astrophysical sources. Recently, Ultra-fast-outflows (UFOs), that are mildly relativistic wide opening angle winds around Active Galactic Nuclei (AGNi) have gained a lot of attention from the community because of their potential for being multi—messenger sources. The work will aim at building a model for the multi—messenger emissions from UFOs- mainly semi-analytical work, that will be used to investigate prospects of detection with generation instruments such as the Cherenkov Telescope Array (CTAO). Diffusive shock acceleration is also a preferred mechanism for particle acceleration in relativistic jets of radio-loud AGN. The avancement of the project permitting, studies will be extended to include particle acceleration inside those jets. Different scenarios can be explored with numerical emission models developed in the PHE group ( Dmytriiev,A., Sol,H, Zech,A., MNRAS 505 (2021) 2712, Zacharias, M., Reimer,A., Boisson, C, Zech, A., MNRAS 512 (2022) 3948 ) that model the time-dependent distribution of accelerated particles and their multi-wavelength (MWL) and multi-messenger (MM) emission. Modeling of rapid flares seems the most promisingpath to constraining the underlying acceleration and emission processes. The resulting observables, flare light curves, time-dependent spectra and particle fluxes, will be compared against observational MWL data and potential constraints from multi-messengers. The expected observations with CTAO will be simulated for different scenarios to search for distinct emission signatures at VHE.