Les superbulles et l'origine des rayons cosmiques

Abstract

It has been known for more than a century that the interstellar medium is full of charged particles called cosmic rays. These particles are crucial agents in the galactic ecosystem. Not only do they influence the properties of space plasmas and magnetic fields, they also impact the gas dynamics, drive the evolution of molecular clouds and regulate the formation of the stars. Yet, there is still no definite answer to the question of their sources. Given the gigantic energies that some of these particles carry when they impact the Earth atmosphere, they are much likely produced in the most energetic astrophysical systems of the galaxy such as massive stars eventually exploding as supernovae. During the last decades, the supernova remnant shocks have indeed been proved to efficiently accelerate particles up to high energies. Although appealing from a global energetic point of view, this scenario of cosmic ray production is nowadays challenged by a number of arguments, including the difficulty to account for the cosmic rays of very high energies as well as the peculiarities of the cosmic ray spectrum measured on Earth. On the other hand, most of the massive stars which end their lives as supernovae are believed to be born within clusters formed inside dense molecular clouds. During their lives, the clustered stars collectively carve galactic-scale cavities, called superbubbles, in their parent environment. The stellar winds and subsequent supernova explosions deposit a large amount of mechanical, thermal and turbulent energy within these superbubbles, which makes them appealing candidates as cosmic ray sources. However, the acceleration of particles in these environments has been scarcely considered. This thesis therefore aims at reviewing the relevant fundamental mechanisms of acceleration in superbubbles in order to provide an investigation by means of semi-analytical modellings derived from first principles. Collective effects such as shock collisions and successive events of particle reacceleration are discussed. A self-consistent model accounting for the non-linear feedback of the particles on the environment is described. The hydromagnetic turbulence, the multiple supernovae and the stellar winds are found to be efficient sources of cosmic rays. The spectrum of the accelerated particles is not only influenced by the collective effects and the propagation in the bubble interior, but also by the magnetised supershell which surrounds the bubble and the intermittency of the mechanical power delivered by the stars. The overall contribution of galactic star clusters and superbubbles to the cosmic ray spectrum is eventually discussed, as well as recent gamma-ray observations.Il a été découvert il y a plus d'un siècle que le milieu interstellaire est rempli de particules chargées appelées rayons cosmiques. Ces particules sont des composantes de premier-plan dans l'écosystème galactique. Non seulement elles influencent les propriétés des plasmas et des champs magnétiques, mais elles impactent également la dynamique des gaz, régissent l'évolution des nuages moléculaires et régulent la formation des étoiles. Cependant, la question de leurs sources reste sans réponse définitive. Les énergies gigantesques que certaines de ces particules atteignent lorsqu'elles impactent l'atmosphère terrestre suggèrent qu'elles doivent être produites dans les systèmes astrophysiques les plus puissants de la galaxie, comme les étoiles massives qui finissent par exploser en supernovae. Au cours des dernières décennies, il a été démontré que les vestiges de supernovae accélèrent en effet des particules. Bien que séduisant d'un point de vue énergétique, ce scénario de production de rayons cosmiques est aujourd'hui ébranlé par un certain nombre d'arguments, incluant la difficulté de rendre compte des rayons cosmiques de très hautes énergies ainsi que des particularités du spectre mesuré sur Terre. D'un autre côté, la plupart des étoiles massives qui explosent en supernovae à la fin de leur vie sont supposées naître au sein d'amas formés à l'intérieur de nuages moléculaires denses. Durant leur vie, les étoiles creusent autour des amas des cavités qui atteignent des dimensions galactiques et que l'on appelle des superbulles. Les vents stellaires et les explosions de supernovae déposent une grande quantité d'énergie mécanique, thermique et turbulente à l'intérieur de ces cavités, ce qui en font des candidates de choix comme sources du rayonnement cosmique. Pourtant, l'accélération des particules dans ces environnements a été rarement considérée. Cette thèse a donc pour but de récapituler les mécanismes d'accélérations fondamentaux supposés agir à l'intérieur des superbulles, afin de produire des modèles semi-analytiques dérivés d'équations fondamentales. Des effets collectifs comme les collisions entre ondes de choc et les réaccélérations successives des particules confinées sont discutés. Un modèle auto-consistant, prenant en compte la réponse non-linéaire des particules sur leur environnement, est décrit. Il est montré que la turbulence hydromagnétique, les multiples supernovae et les vents stellaires produisent efficacement des rayons cosmiques. Le spectre des particules accélérées est non seulement influencé par les effets collectifs et la propagation dans l'intérieur de la bulle, mais aussi par la coquille magnétisée qui délimite la bulle et le caractère intermittent de la puissance mécanique délivrée par les étoiles. La contribution globale des amas stellaires et des superbulles galactiques au spectre des rayons cosmiques est finalement discutée, ainsi que des observations récentes en rayons gammas