Accélération de particules

L'accélération de particules dans les environnements astrophysiques est une question majeure à l'avant-plan de l'astrophysique des hautes énergies. Les plus célèbres accélérateurs de particules sont des objets offrant des conditions extrêmes tels que les résidus de supernovae, ou encore les jets relativistes dans des objets extragalactiques. Ces accélérateurs de particules sont responsables de la production de rayons cosmiques (particules chargées de haute énergie telles que des électrons, des protons, des noyaux d'hélium, d'autres noyaux plus massifs...). Il est habituel de distinguer les rayons cosmiques d'origine galactique (sous le genou, voir figure ci-dessous) et extragalactique (au-delà du genou), même si cette séparation est encore débattue.

CRspectrum

Spectre des rayons cosmiques.

 

Par ailleurs, même si l'efficacité intrinsèque des étoiles massive pré-supernova n'est a priori pas aussi élevée que celle des résidus de supernova (SNR), par exemple, leur contribution à la production de rayons cosmiques galactiques de basse énergie (sous les GeVs) n'est pas forcément négligeable. Une première classe intéressante est celle des binaires massives à collision de vents accélérant des particles (PACWBs). Ces systèmes sont principalement identifiés en tant qu'accélérateurs de particules sur base de la détection d'émission radio synchrotron (nécessitant une population d'électrons relativistes). Dans ces systèmes, le processus d'accélération de particules est supposé être l'accélération diffusive dans les chocs (DSA) dans la région où les vents stellaires des deux étoiles massives entrent en collision. Les conditions physiques régissant le processus d'accélération sont donc dictées par les propriétés des vents stellaires, et sont supposées varier en fonction de la phase orbitale si l'orbite est excentrique. Une seconde classe d'objets intéressante est celle des étoiles en fuite avec choc (BSRs). Les étoiles massive en fuite (éjectées de leur site de formation) sont susceptibles de traverser diverses régions interstellaires. Au long de leur périple à travers les nuages interstellaires, leurs vents stellaires intenses interagissent avec la matière interstellaire avoisinante and produisent des chocs. En présence de ces chocs hydrodynamiques, le mécanisme DSA peut agir et accélérer des particules.

DSA

Vue schématique du mécanisme DSA.

 

 

Une caractéristique importante qui mérite d'être mise en évidence est que ces sources sont des émetteurs non-thermiques. Les électrons relativisites peuvent produire du rayonnement synchrotron dans le domaine radio (et dans certains cas jusqu'à des rayons X) et des rayons X non-thermiques par diffusion Compton inverse (et potentiellement du bremsstrahlung relativiste). Les protons relativistes peuvent interagir avec de la matière thermique et créer des pions neutres qui se désintègrent pour produire des rayons gamma. Ces accélérateurs de particules peuvent donc être sondés via leur rayonnement non-thermique à travers le spectre électromagnétique. De telles études multi-longueur d'onde sont au coeur des activités de ce groupe.

Un sujet connexe est celui de l'étude de l'influence des rayons cosmiques générés par les étoiles massives sur le traitement énergétique des molécules d'intérêt astrochimique. Ceci est particulièrement pertinent dans les nuages sombres où le traitement photochimique est inactif. Tous les accélérateurs de particules dans la galaxies (SNRs, PACWBs, BSRs...) sont susceptible de contribuer à la production globale de rayons cosmiques qui jouent un rôle décisif dans l'origine de la diversité astrochimique dans les nuages moléculaires.

MSMC

Vue schématique d'un nuage moléculaire, en présence de sources de rayons cosmiques telles qu'une BSR, une PACWB ou un SNR. Figure issue de De Becker 2015, Bull. Soc. Roy. Sci. Liège, 84, 15.