Search for proton accelerators in the Galaxy with the Fermi-LAT and the H.E.S.S. telescopes - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2021

Search for proton accelerators in the Galaxy with the Fermi-LAT and the H.E.S.S. telescopes

Recherches d'accélérateurs de protons dans la Galaxie avec le Fermi-LAT et les télescopes H.E.S.S.

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Abstract

The emergence of gamma-ray astronomy has deepened our understanding of the origin of cosmic rays and the mechanisms responsible for their acceleration. Despite observational evidences that supernova remnants and pulsar wind nebulae are efficient electrons accelerators, evidences for the acceleration of protons, which represent 90% of the cosmic rays, are much more scarce.This thesis presents the analysis of HESS J1640-465 and the PeVatron candidate HESS J1641-463 using GeV data from the Fermi satellite to constrain the emission processes and the nature of these sources. This analysis revealed that their multi-wavelength emissions are very well modelled by systems composed of a pulsar and its nebula, in which high-energy electrons scatter on the ambient photon fields by inverse Compton scattering. On the other hand, the complementary analysis of data of the H.E.S.S. Cherenkov telescope array provides arguments in favour of a self-consistent scenario in which the TeV emission from both sources is produced by the interaction of high energy protons with molecular clouds. This scenario explains by itself the very hard gamma-ray spectrum of HESS J1641-463 at TeV, as well as that of a new source in coincidence with a molecular cloud linking these sources: PNM 4041.In the context of the study of the PeVatron candidate HESS J1641-463, an improvement of Model++ analysis chain of H.E.S.S was also developed. The recovery of cut images of electromagnetic showers, not considered until now, improves the effective area of all Model++ analysis profiles while keeping an angular resolution lower than 0.1° up to 50 TeV. By slightly modifying the values of the parameters used in Model++, the recovery of these events improves the significance, the number of gamma-ray photons and the signal-to-noise ratio whatever the zenith angle of the observed sources. A dedicated high-energy optimisation has been performed in order to maximize the significance of sources above 5 TeV for the search and study of Galactic PeVatrons. This optimisation improves the effective area by more than 85% at 80 TeV at low zenith angles compared to the H.E.S.S. Faint profile, while maintaining a very good angular and energy resolution.
L'émergence de l'astronomie gamma; a permis d'approfondir nos connaissances sur l'origine des rayons cosmiques et sur les mécanismes responsables de leur accélération. Malgré les preuves observationnelles qui montrent que les vestiges de supernovæ et les nébuleuses à vent de pulsars sont des accélérateurs d'électrons efficaces, les traces de l’accélération des protons, composant 90% des rayons cosmiques, se font beaucoup plus rares.Cette thèse présente l'analyse des sources HESS J1640-465 et du candidat PeVatron HESS J1641-463 en utilisant les données au GeV du satellite Fermi afin de contraindre les processus d'émission et la nature de ces sources. Cette analyse a révélé que leurs émissions multi-longueur d'onde sont très bien modélisées par des systèmes composés d'un pulsar et de sa nébuleuse, dans lesquels des électrons de haute énergie diffusent sur les champs de photons ambiants par diffusion Compton inverse. En revanche, l'analyse complémentaire des données du réseau de télescopes Tcherenkov H.E.S.S. fournit des arguments en faveur d'un scénario autoconsistant dans lequel l'émission au TeV des deux sources est produite par l'interaction de protons de haute énergie avec des nuages moléculaires. Ce scénario explique à lui seul le spectre gamma; très dur de HESS J1641-463 au TeV, ainsi que celui d'une nouvelle source détectée en coïncidence avec un nuage moléculaire liant ces sources: PNM 4041.Dans le cadre de l'étude du candidat PeVatron HESS J1641-463, une amélioration de la chaine d'analyse Model++ de H.E.S.S a également été développée. La récupération des images de gerbes électromagnétiques coupées, non considérées jusqu'à présent, permet d'améliorer la surface efficace de tous les profils d'analyse de Model++ tout en conservant une résolution angulaire inférieure à 0.1° jusqu'à 50 TeV. En modifiant légèrement les valeurs des paramètres utilisés dans Model++, la récupération de ces évènements améliore la significativité, le nombre de photons ɣ et le ratio signal sur bruit quel que soit l'angle zénithal des sources observées. Une optimisation dédiée à la haute énergie a été réalisée dans le but de maximiser la significativité de sources au-dessus de 5 TeV pour la recherche et l'étude de PeVatrons galactiques. Cette optimisation améliore la surface efficace de plus de 85% à 80 TeV à faible angle zénithal par rapport au profil Faint de H.E.S.S., tout en conservant une très bonne résolution angulaire et énergétique.
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  • HAL Id : tel-03521091 , version 1

Cite

Arnaud-Rémi Mares. Recherches d'accélérateurs de protons dans la Galaxie avec le Fermi-LAT et les télescopes H.E.S.S.. Astrophysique [astro-ph]. Université de Bordeaux, 2021. Français. ⟨NNT : 2021BORD0367⟩. ⟨tel-03521091⟩
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