Étude du milieu interstellaire par l'observation des pulsars en radio basse fréquence

Study of the interstellar medium through the low frequency radio observation of pulsars

• Auteur / Autrice : Pauline Noé
• Direction : Gilles Theureau, Jean-mathias Griessmeier
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences de l'Univers
• Date : Inscription en doctorat le 30/09/2024
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : Energie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers - EMSTU
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LPC2E - Laboratoire de Physique et Chimie de l'Environnement et de l'Espace

Mots clés

Mots clés libres

Radioastronomie

Milieu interstellaire

Chronométrie

Pulsar

Pulsar

Radio astronomy

Interstellar medium

Timing

Résumé

Les pulsars sont des étoiles à neutrons en rotation rapide, avec un fort champ magnétique produisant un faisceau de rayonnement qui balaie l'espace comme un phare. Observées, par exemple par un radiotélescope, ces objets apparaissent comme des sources pulsantes. Les temps d'arrivée des impulsions sont modifiées par leur trajet à travers le plasma du milieu interstellaire. En conséquence, des observations régulières permettent de caractériser les propriétés du plasma interstellaire entre la Terre et les différents pulsars. Le milieu interstellaire est inhomogène et turbulent, mais la nature précise de cette turbulence n'est pas encore bien contrainte. L'objectif de cette thèse sera d'étudier la nature de cette turbulence en exploitant un jeu de données unique, acquis sur un ensemble de radiotélescopes dans des gammes de fréquence radio entre 15 MHz et 1.4 GHz, et sur des échelles temporelles allant d'un jour à plus d'une décennie. La chronométrie ultra-précise des pulsars permettra de déterminer les échelles caractéristiques de la turbulence dans les premiers kpc autour de la Terre. Ces résultats seront comparés avec des simulations numériques de la distribution du plasma interstellaire et avec des cartes d'opacité issues des mesures stellaires du satellite GAIA, retraçant la distribution de la poussière et du gaz neutre. Le/la doctorant.e aura à sa disposition plusieurs jeux de données : • les séries temporelles avec une cadence hebdomadaire acquise pendant 10 ans avec différentes stations internationales de LOFAR, pour 100 pulsars, à des fréquences entre 110 MHz et 190 MHz. En 2024, ce jeu de données sera complété par une campagne de mesures beaucoup plus dense pour sonder les échelles temporelles inférieures à une semaine. • les séries temporelles acquises à l'échelle mensuelle avec l'instrument NenuFAR pour plus de 40 pulsars aux fréquences entre 20 et 85 MHz, offrant une sensibilité inégalée concernant les variations du milieu interstellaire, • les séries temporelles issues du catalogue de du radiotélescope décimétrique (NRT) enregistrées dans le cadre du projet EPTA pour plus de 50 pulsars millisecondes particulièrement stables, avec une cadence de quelques jours. • En complément, un programme d'observations ciblées vers les objets les plus brillants, acquises avec NenuFAR, LOFAR et le NRT, permettra d'étudier la scintillation des sources et de fournir un diagnostic supplémentaire en terme de distribution spatiale des écrans réfractants le long de la ligne de visée. • En particulier, à partir de mi-2025, l'étudiant.e exploitera les données acquises dans le cadre du projet LOFAR2.0, qui permettra de couvrir les deux bandes de fréquence de LOFAR simultanément (20-90 MHz et 110-190 MHz). L'étudiant.e sera accueilli.e au sein de l'équipe d'astrophysique du LPC2E à Orléans, qui développe de l'instrumentation dédiée et des chaînes de traitement pour l'observation et la chronométrie des pulsars. L'équipe coordonne l'ensemble des programmes concernant les pulsars avec les radiotélescopes de l'Observatoire Radioastronomique de Nançay (NRT, NenuFAR et la station LOFAR-FR606), et collabore au niveau européen et mondial pour la mise en commun des données et des outils d'analyse (European and International Pulsar Timing Arrays – EPTA and IPTA, NenuFAR pulsar key project, LOFAR pulsar working group, LOFAR2.0 Large Programs « Pulsars and Fast Transients Monitoring »). Cette étude pionnière préfigurera ce qui pourra être conduit avec la prochaine génération de télescope mondiale telle que le SKA dans l'hémisphère sud.

Pulsars are fast-rotating neutron stars with strong magnetic fields, producing a beam of radiation that sweeps through space like a lighthouse. Observed, for example by a radio telescope, these objects appear as pulsating sources. The times of arrival of these pulses are modified by their path through the ionized interstellar medium. As a result, regular observations allow to characterize the properties of the interstellar plasma between the Earth and individual pulsars. The interstellar medium is known to be inhomogeneous and turbulent, but the precise nature of this turbulence is not yet well constrained. The aim of this thesis is to study the nature of this turbulence by exploiting a unique dataset acquired on various radio telescopes observing in frequency ranges between 15 MHz and 1.4 GHz, and on timescales ranging from one day to over a decade. Ultra-precise pulsar timing will enable us to determine the characteristic scales of the turbulence in the first few kpc around the Earth. These results will be compared with numerical simulations of interstellar plasma and opacity maps from stellar stellar measurements from the GAIA satellite, tracing the distribution of dust and neutral gas. The PhD student will have several data sets at his/her disposal: - weekly time series acquired over 10 years with various international LOFAR stations, for 100 pulsars, at frequencies between 110 MHz and 190 MHz. In 2024, this dataset will be supplemented by a much denser to probe time scales of less than a week. - monthly time series acquired with the NenuFAR instrument for more than 40 pulsars at frequencies between 20 and 85 MHz, offering unrivalled sensitivity to variations in the interstellar medium, - time series from the Decimeter Radio Telescope (NRT) recorded as part of the EPTA project for over 50 particularly stable millisecond pulsars pulsars with a cadence of a few days. - In addition, a program of targeted observations of the brightest objects, acquired with NenuFAR, LOFAR and NRT, will enable us to study the scintillation of the sources and provide provide further diagnostics in terms of the spatial distribution of refracting screens along the line of sight. - In particular, from mid-2025 onwards, the student will exploit data acquired as part of the LOFAR2.0 project, which will cover both LOFAR frequency bands simultaneously (20-90 MHz and 110-190 MHz). The student will be hosted by the LPC2E astrophysics team in Orléans, which develops dedicated instrumentation and processing chains for pulsar observation and timing. The team coordinates all pulsar-related programs with the radio telescopes of the Nancay Radio Observatory (NRT, NenuFAR and the LOFAR-FR606), and collaborates at European and global level to pool data and analysis tools (European and International Pulsar Timing Arrays - EPTA and IPTA, NenuFAR pulsar key project, LOFAR pulsar working group, LOFAR2.0 Large Programs 'Pulsars and Fast Transients Monitoring'). This pioneering study will foreshadow what can be achieved with the next next-generation telescopes such as the SKA in the southern hemisphere.