Description

Les rayons cosmiques (RC) sont des particules chargées accélérées dans l’Univers jusqu’à des énergies énormes par des processus qui ne sont pas encore complètement compris. Les observations indiquent que dans la Voie Lactée il existe des objets capables d’accélérer des particules jusqu’à des énergies de quelques péta-électronvolts (PeV), bien au-delà des énergies thermiques typiques. Ces particules non thermiques sont soupçonnées de jouer un rôle clé dans la formation des étoiles et l’évolution des galaxies en redistribuant leur énergie à l'échelle galactique. Une compréhension globale des RC est donc d’une importance capitale pour l’astrophysique en général.

Le paradigme standard suppose que les RC galactiques sont accélérés dans des chocs forts au sein des restes de supernovae. Pourtant, tant la théorie que les observations suggèrent que ces objets peuvent difficilement produire des particules au-delà de 100 TeV, laissant la place à une autre famille d’accélérateurs. Les régions de formation d’étoiles massives pourraient abriter des processus spécifiques capables d’accélérer des particules jusqu’à des énergies de l’ordre du PeV [1], et la matière issue des vents d’étoiles massives évoluées est essentielle pour expliquer les abondances d’éléments lourds observées dans les RC [2].

Les RC peuvent être sondés grâce aux observations des rayons gamma produits lors de leurs interactions avec le riche réservoir de gaz et de photons présent dans les régions de formation d’étoiles. Une émission gamma étendue est en effet observée vers au moins une douzaine de régions galactiques de formation d’étoiles, et l’échantillon ne cesse de s’agrandir [3]. Toutefois, des études détaillées de certaines régions individuelles restent souvent compatibles avec une variété de scénarios concernant le site et le processus d’accélération des particules, tels qu’une injection impulsive par des chocs de restes de supernovae ou une accélération de longue durée par des vents stellaires [4].

L’ensemble de données du télescope spatial à rayons gamma Fermi fournit un relevé du ciel entier contenant plein d'information encore inexploitée sur les régions de formation d’étoiles massives. À partir de 2026, le déploiement des « pathfinders » de l’Observatoire Cherenkov Telescope Array (CTAO) [5] ouvrira une nouvelle ère pour l’astronomie gamma. En particulier, le champ de vue sans précédent et la gamme d'énergie couverte par les télescopes de CTAO offriront de nouvelles opportunités pour étudier l’émission étendue à très haute énergie provenant des régions de formation d’étoiles massives.

Pour ce projet, le doctorant ou la doctorante sera accueilli(e) dans un groupe à l’IRAP disposant de plusieurs décennies d’expertise en astronomie gamma et en physique des rayons cosmiques. Le groupe fait partie de la collaboration internationale Fermi et du consortium CTAO, et est très activement impliqué dans le développement des caméras NectarCAM qui seront installées sur des télescopes de taille moyenne de CTAO à partir de 2026. Le ou la doctorant(e) analysera les données Fermi existantes et sélectionnera des sources intéressantes à observer avec les pathfinders et les réseaux intermédiaires de CTAO durant la phase de construction de l’observatoire. En combinant les deux jeux de données nous chercherons à faire progresser notre compréhension de l’accélération et du transport des particules dans les régions de formation d’étoiles massives.

Compétences requises

Master en astrophysique ou en physique À l’aise avec la programmation (la connaissance de Python est un atout) Bon niveau d’anglais écrit et oral Intérêt pour travailler dans le cadre de grandes collaborations internationales

Bibliographie

[1] Vieu et al. 2022, MNRAS 515 2, p.2256, arXiv:2207.01432

[2] Tatischeff et al. 2021, MNRAS 508 1, p.1321, arXiv:2106.15581

[3] Tibaldo, Gaggero, Martin 2021, Universe 7 5, 141, arXiv:2103.16423
[4] Astiasarain, Tibaldo, Martin 2023, A&A 671, A47, arXiv:2301.04504
[5] Zanin et al. 2022, 37th International Cosmic Ray Conference, https://pos.sissa.it/395/005

Mots clés

Rayons cosmiques, Rayons gamma, Amas d'étoiles