Etude de la superbulle d'Orion-Eridanus : gaz, champs magnétiques et rayons cosmiques - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2019

Study of the Orion-Eridanus superbubble : gas, magne'c 4elds and cosmic rays

Etude de la superbulle d'Orion-Eridanus : gaz, champs magnétiques et rayons cosmiques

Résumé

Most of the supernovae in our Galaxy explode in massive stellar clusters. Together with the winds and intense radiations from the most massive stars, they create 100-pc-scale, hot expanding bubbles, called superbubbles. Such sites are prime targets to study stellar feedback on the interstellar medium. Theys sweep up gas and magnetic fields. They create cavities filled with turbulent plasmas and shock waves. This type of environment can impact cosmic-ray propagation. The superbubble contribution to the production of Galactic cosmic rays is still unknown. In 2011, the γ-ray Fermi Large Area Telescope (LAT) detected a cocoon of freshly accelerated cosmic rays in the Cygnus X superbubble. This discovery called for investigations of other massive stellar clusters. The proximity of the Orion-Eridanus superbubble makes it a good candidate. We have studied the closer, Eridanus, side of the superbubble, seen far from the Galactic plane. We have used information across the electromagnetic spectrum to study the superbubble gas and magnetic-field structures. From the velocity information of the H I and CO emission lines, we have identified several gas shells related to the superbubble and we have derived a global expansion velocity of 20 km s−1 . Using 3D dust reddening maps, we have confirmed our shell separation and found that their distances range from about 150 pc to 250 pc from the Sun. X-ray absorption constrained their location relative to the hot gas filling the superbubble interior. The latter appears to be heterogeneous, with a mix of 0.3-1.2 MK and 3-9 MK gas along the lines of sight. Lastly, we have studied the plane-of-sky component of the magnetic field with dust polarised emission observed by Planck. The magnetic field along the outer rim and in the approaching wall of the superbubble appears to be shaped and compressed by the ongoing expansion. Using the Davis-Chandrasekhar-Fermi method and requiring consistency with the gas dynamics through the outer shock, we have found plane-of-sky field strengths from 3 to 15 µG along the rim. We have studied the cosmic-ray content of the superbbuble using 10 years of Fermi-LAT data between 0.25 and 63 GeV. In this energy range, the γ radiation mainly traces cosmic-ray interactions with interstellar gas. We have thus modelled the spatial and spectral distributions of the γ rays borne in the different gas phases (atomic, molecular, dark, and ionised). The model includes other non-gaseous components to match the data. We have found that the γ-ray emissivity spectrum of the gas along the outer rim and further inside the bubble is consistent with the average cosmic-ray spectrum measured in the local interstellar medium and in the Solar System. This homogeneity shows that little cosmic-ray production and re-acceleration is taking place inside the superbubble. We discuss the implications for cosmic-ray transport conditions. We also find significant evidence that a diffuse atomic cloud lying outside the superbubble, at an altitude of 200-250 pc below the Galactic plane, is pervaded by a 34% lower cosmic-ray flux, but with the same particle energy distribution as the local one. We tentatively propose that the cosmic-ray loss relates to the orientation of the magnetic field lines threading the cirrus, which point towards the halo. Finally, we have gathered the present emissivity measurements with previous estimates obtained around the Sun to show how the local cosmic-ray flux decreases with Galactic altitude and to compare with model prediction.
La plupart des supernovae dans notre Galaxie explosent dans des amas d’étoiles massives. Avec les vents et les rayonnements intenses des étoiles les plus massives elles forment des bulles chaudes en expansion, d’une taille d’une centaine de parsecs, appelées superbulles. Ces régions de la Galaxie sont des laboratoires de choix pour étudier la rétroaction stellaire sur le milieu interstellaire. Le gaz et les champs magnétiques initialement présents sont balayés. Une cavité se forme, remplie d’un plasma turbulent et traversée par de nombreuses ondes de chocs. Ce type d’environnement peut fortement perturber la propagation des rayons cosmiques. La contribution des superbulles à la production des rayons cosmiques Galactiques reste cependant inconnue. En 2011, le Fermi Large Area Télescope (LAT) a identifié en rayonsγ un coco de jeunes rayons cosmiques, accélérés dans la superbulle de Cygnus X. Cette première découverte a motivé la recherche et l’analyse d’autres amas d’étoiles massives. La proximité de la superbulle d’Orion-Eridanus en fait un bon candidat. Nous avons étudié la partie de la superbulle la plus proche et visible loin du plan Galactique, dans la constellation de l’Éridan. Les observations à différentes longueurs d’ondes du spectre électromagnétique ont permis d’étudier la structure du gaz et des champs magnétiques de la superbulle. À partir des informations en vitesse des raies d’émission du H I et du CO, nous avons identifié différentes coquilles de gaz associées à la superbulle. Elles indiquent une vitesse d’expansion globale de 20 km s−1. Des cartes 3D du rougissement des poussières ont permis de confirmer cette séparation en coquilles et de contraindre leurs distances au Soleil entre 150 et 250 pc. L’absorption des rayons X a permis de les positionner par rapport au gaz chaud de la superbulle. Ce gaz chaud apparaît hétérogène, avec un mélange sur les lignes de visée de plasmas à 0.3-1.2 MK et 3-9 MK. La composante du champ magnétique dans le plan du ciel peut être tracée par l’émission polarisée des poussières observée par Planck. Les données montrent que le champ dans la coquille externe a été réorganisé et comprimé par l’expansion de la superbulle. En utilisant la méthode de Davis-Chandrasekhar-Fermi et en veillant à la cohérence avec la dynamique du gaz au travers du choc externe, nous avons obtenu des intensités du champ magnétique dans la coquille entre 3 et 15 µG. Nous avons mesuré le flux de rayons cosmiques dans les coquilles de la superbulle avec 10 ans de données du télescope Fermi-LAT entre 0.25 et 63 GeV. À ces énergies, le rayonnement γ trace principalement l’interaction des rayons cosmiques avec le gaz interstellaire. Nous avons modélisé les distributions spatiale et spectrale des rayons γ issus des différentes phases de gaz (atomique, moléculaire, sombre et ionisé). Des émissions γ non liées au gaz sont également prises en compte. Notre analyse révèle que les spectres d’émissivité γ dans les coquilles de la superbulle sont compatibles avec le spectre moyen de rayons cosmiques mesuré dans le milieu interstellaire local et dans le Système Solaire. Une telle homogénéité montre que la superbulle n’est pas active en termes de production et de réaccéléra de rayons cosmiques, et nous discutons plusieurs explications possibles. Un nuage diffus, situé en dehors de la bulle et à une altitude de 200-250 pc sous le plan Galactique, présente une émissivité γ 34% plus faible mais sans modification spectrale. Cette perte de rayons cosmiques est significative et nous avançons l’hypothèse qu’elle est liée à l’orientation des lignes de champ magnétique du nuage qui pointent vers le halo Galactique. Enfin, en compilant nos mesures d’émissivité avec celles d’analyses précédentes, nous avons étudié la variation locale du flux de rayons cosmiques selon l’altitude au-dessus du plan Galactique, et nous comparons ces mesures aux prédictions des modèles.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03021186 , version 1 (24-11-2020)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03021186 , version 1

Citer

Théo Joubaud. Etude de la superbulle d'Orion-Eridanus : gaz, champs magnétiques et rayons cosmiques. Astrophysique [astro-ph]. Université Paris Cité, 2019. Français. ⟨NNT : 2019UNIP7077⟩. ⟨tel-03021186⟩
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