Powerful sources, extragalactic magnetic fields, astroparticles: astrophysical puzzles seen through ultrahigh energy cosmic ray spectacles
Sources énergétiques, champs magnétiques extra-galactiques, astroparticules : énigmes astrophysiques vues par les rayons cosmiques de ultra-haute énergie
Résumé
This work explores the interconnexion between powerful sources in the Universe, extragalactic magnetic fields and secondary astroparticles (neutrinos and gamma rays), through the study of the propagation of ultrahigh energy cosmic rays. In this manuscript, I first review the experimental and theoretical status of the cosmic ray field. I then present a detailed review of the secondary particle emission mechanisms during cosmic ray propagation, and on the current knowledge of the extragalactic magnetic fields. In regards of all the uncertainties on the distribution of those field and the complexity of the existing models, I introduce parametrized semi-analytical and analytical modelings of cosmic ray transport in these fields. These models enables one to take into account key phenomena that are often neglected in the literature (for example the effects of the magnetic enrichment from astrophysical sources or of the small scale turbulence). I also developed a numerical tool that combines and improve existing codes, in order to treat interaction processes during cosmic ray propagation. I make use of these techniques to consider many paramount problems concerning ultrahigh energy cosmic rays, like the effect of the extragalactic magnetic field in the region of the second knee, the interpretation of the anisotropy detected by the Auger Observatory and multi-messenger aspects from sources located in magnetized environments.
Ce travail de thèse se situe à l'interface de trois problématiques, que j'explore à l'aide de la propagation des rayons cosmiques de ultra-haute énergie : les sources énergétiques dans l'Univers, les champs magnétiques extra-galactiques et les astroparticules secondaires (neutrinos et rayons gammas). Dans ce manuscrit, je présente d'abord un survol de la situation expérimentale et théorique des rayons cosmiques de ultra-haute énergie ; je détaille ensuite les mécanismes de production des particules secondaires lors de leur propagation, et donne une revue sur les connaissances actuelles sur les champs magnétiques extra-galactiques. Je propose des modélisations semi-analytiques et analytiques du transport des rayons cosmiques dans ces champs, qui ont pour but de pallier la complexité et la mise en oeuvre lourde des outils existants (simulations MHD), tout en prenant en compte des phénomènes physiques probablement décisifs dans le transport des particules chargées, rarement traités dans la littérature (par exemple l'enrichissement magnétique par des sources astrophysiques ou la turbulence à petite échelle). J'ai également développé un outil numérique qui marie et améliore des codes existants pour traiter les processus d'interaction des rayons cosmiques au cours de leur propagation. A l'aide de ces techniques, je traite de nombreux problèmes-clés des rayons cosmiques de ultra-haute énergie, notamment l'influence du champ magnétique sur la coupure à basse énergie de la composante extra-galactique des rayons cosmiques, l'interprétation des résultats d'anisotropie de l'Observatoire Auger, les aspects multi-messagers de sources situées dans les environnements magnétisés.
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