Premières détections de nébuleuses avec le Fermi-Large Area Telescope et étude de leurs pulsars

Numéro d’ordre: 4039
THÈSE
présentée à
L’UNIVERSITÉ BORDEAUX 1
ÉCOLE DOCTORALE DES SCIENCES PHYSIQUES ET DE L’INGÉNIEUR
par Marie Hélène Grondin
POUR OBTENIR LE GRADE DE
DOCTEUR
SPÉCIALITÉ ASTROPHYSIQUE, PLASMAS ET CORPUSCULES
Premières détections de nébuleuses avec le
Fermi Large Area Telescope et étude de leurs pulsars
Soutenue le 2 Juillet 2010
Après avis de :
M. J. Knödlseder Directeur de recherche CNRS, CESR Toulouse Rapporteur
M. J. P. Tavernet Professeur, Université de Paris 6, LPNHE
Devant la commission d’examen formée de :
M. T. Montmerle Directeur de recherche, IAP Paris Président du jury
M. D. A. Smith de recherche CNRS, CENBG Bordeaux Gradignan Directeur de thèse
Mme M. Lemoine Goumard Chargée de CNRS, CENBG Co directrice de
M. J. Knödlseder Directeur de recherche CNRS, CESR Toulouse Rapporteur
M. J. P. Tavernet Professeur, Université de Paris 6, LPNHE
M. F. Gobet, Université de Bordeaux 1, CENBG Examinateur
M. D. J. Thompson Senior Scientist, NASA GSFC (Etats Unis)
2010 Centred’EtudesNucléairesdeBordeaux Gradignan2À tous ceux qui me sont chers,
34Remerciements
Les doctorants et docteurs le savent : la thèse n’est pas seulement l’oeuvre d’une seule personne,
mais avant tout une aventure humaine qui survient bien souvent à une époque où, étudiants, nous
cherchons encore à contruire notre propre voie aidés par notre entourage, tant professionnel que
personnel. Alors bien évidemment, pas question de démarrer le récit de ces trois années intenses et
riches en découvertes et en échanges sans en remercier tous les acteurs. L’ambition de dresser une
liste exhaustive me semble bien audacieuce, tant ils sont nombreux à m’avoir entourée, soutenue,
conseillée, motivée et transmis leurs connaissances tout au long de ce parcours. Aussi, que les
personnes dont les noms ne seront pas explicitement cités ici reçoivent également toute ma gratitude.
Je tiens tout d’abord à remercier Monsieur le directeur Bernard Haas pour m’avoir accueilli au
sein du Centre d’Etudes Nucléaires de Bordeaux Gradignan il y quelques années déjà et permis d’y
revenir avec la plus grande motivation, que ce soit dans le cadre des stages universitaires que celui de
la thèse.
Je tiens également à témoigner toute ma gratitude à Messieurs Franck Gobet, Jürgen Knödlseder,
Thierry Montmerle, Jean Paul Tavernet et David J. Thompson, qui m’ont fait l’honneur de constituer
mon jury de thèse. Un merci tout particulier à Jürgen et Jean Paul pour avoir accepté d’être
rapporteurs de ma thèse et ainsi de suivre mon travail avec d’autant plus d’attention, ainsi que Dave
pour s’être déplacé de Washington pour assister à ma soutenance, à Bordeaux. Je leur suis également
reconnaisssante, ainsi qu’à l’ensemble des membres du jury, pour leurs suggestions, commentaires et
conseils constructifs par rapport à mes travaux de thèse et lors de la lecture de mon manuscrit.
Je tiens aussi à adresser mes plus sincères remerciements à mes directeurs de thèse Marianne
Lemoine Goumard et David A. Smith. M’ayant offert l’opportunité de travailler à leur côté, puis
m’ayant soutenue et aiguillée tout au long de ces trois années de recherche, ils m’ont permis de m’af
firmer, de réaliser mon souhait de recherche dans le domaine astrophysique qui me tenait à coeur
depuis des années, ainsi que de m’épanouir dans ce domaine. Un grand merci également à Denis Du
mora, Benoit Lott et Thierry Reposeur pour m’avoir, depuis bien longtemps déjà, accueillie au sein
du groupe Astroparticules. M’ayant communiqué leur passion pour leur travail et leur domaine de
recherche, ils m’ont de ce fait donné envie de poursuivre par une thèse dans leur groupe. Merci éga
lement à Lise, Lucas et Damien avec lesquels j’ai apprécié travailler mais aussi discuter. L’influence
de chacun des membres du groupe, tant d’un point de vue professionnel qu’humain est unique et
difficilement descriptible en quelques mots, mais je garderai, grâce à eux, de ces trois années un ex
cellent souvenir. J’ai eu grand plaisir à travailler et échanger avec eux et souhaite réellement pouvoir
poursuivre ces échanges à l’avenir.
Au delà du groupe Astroparticules de Bordeaux, je tiens à remercier l’ensemble des personnes
avec lesquelles il m’a été donné la chance de travailler au sein de la collaboration Fermi (GLAST à
5mes débuts), en France et de par le monde. La disponibilité, l’efficacité mais aussi la gentillesse et
la patience des chercheurs avec lesquels j’ai eu l’opportunité d’échanger sont autant d’atouts et de
raisons qui ont fait de la recherche à leur côté un travail intensif, bien sûr, mais aussi agréable tout au
long de ces trois ans.
Qu’aurais je été pendant ces trois ans sans l’amitié et le soutien de mes amis de Bordeaux et
d’ailleurs : Maréva, Malie, Sabrina, Véro, sans oublier Candice, Cécile, Cyril, Laurent, Johnny, Syl
viane, et bien d’autres encore ? Je tiens à leur exprimer toute ma gratitude au cours de ces remercie
ments.
Et puis, j’ai bien sûr un profond sentiment de gratitude envers ma famille pour m’avoir toujours
entourée et soutenue, en particulier au cours de ces trois ans. La tâche n’a, je le sais, pas
été facile, mais ils ont toujours été présents, même discrets, au cours de cette étape importante de
ma vie. Merci, donc, à mes parents, ma soeur et Yann, ma grand mère, ainsi qu’à ma nombreuse
famille en Camargue et à la Réunion. Une pensée tout particulière va à mon grand père, qui n’aura
malheureusement assisté qu’au début de cette thèse, mais dont l’exemple d’optimisme face la vie m’a
permis à plusieurs reprises de relever la tête et d’aller de l’avant.
Enfin, merci à mon ange gardien, qui a veillé sur moi malgré les moments de doute, restant très
présent, me soutenant et s’efforçant de me montrer la vie sous un angle positif quoi qu’il arrive.
Et merci encore à toutes les personnes dont le nom n’a pas été cité, mais qui m’ont entourée,
conseillée et épaulée tout au long de ces trois ans.
6Table des matières
Couverture 1
Remerciements 5
Table des matières 7
Introduction 13
Astronomieγ 17
I Introduction à l’astronomieγ 19
I.1 L’astronomieγ : l’étude d’un domaine d’énergie extrême . . . . . . . . . . . . . 19
I.2 Historique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
II Accélération de particules et processus radiatifs en astronomieγ 23
II.1 Accélération de particules chargées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
II.1.1 Accélération par différence de potentiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
II.1.2 par processus de Fermi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
II.2 Processus radiatifs en astronomieγ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
II.2.1 Processus leptoniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
0II.2.2 hadronique : décroissance de pions neutresπ . . . . . . . . . . . 33
II.2.3 Processus d’atténuation des photons : création de paires e . . . . . . . . . 34
III Détecteurs en astronomieγ 37
III.1 Les missions spatiales en astronomieγ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
III.1.1 EGRET ou l’étude du cielγ dans les années 1990 . . . . . . . . . . . . . . 37
III.1.2 Les missions actuelles : AGILE et Fermi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
III.2 Les détecteurs au sol en astronomie de très haute énergie . . . . . . . . . . . . . . 41
III.2.1 Cascades électromagnétiques et hadroniques . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
III.2.2 Principe de l’effet Tcherenkov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
III.2.3 Les détecteurs Tcherenkov actuels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
7TABLEDESMATIÈRES
IV Sources de rayonnementγ 49
IV.1 Sources galactiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
IV.1.1 Pulsars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
IV.1.2 Nébuleuses de pulsars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
IV.1.3 Vestiges de supernova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
IV.1.4 Binaires X . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
IV.1.5 Etoiles massives et vents stellaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
IV.1.6 Amas globulaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
IV.2 Sources extragalactiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
IV.2.1 Noyaux actifs de galaxie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58