Exploring the interstellar contents of a TeVatron : molecules, dust and star formation in the evolved supernova remnant IC443
Analyse interstellaire d'un TeVatron : molécules, poussières et formation d'étoile dans le reste de supernova IC443
Résumé
Supernovae have a major impact on the evolution of the interstellar medium of galaxies. These stellar explosions inject 10^51 erg into their neighborhood, which is equivalent to the energy emitted by the Sun during its entire existence. These regular events (about two per century in the Milky Way) produce a fast shock wave (up to 10^4 km/s) that interacts with the surrounding medium for several hundred thousand years.In addition to being temporary sites of acceleration of high-energy cosmic rays (TeV-PeV), supernovae remnants deposit kinetic energy over several tens of parsecs before they entirely decay into radiation and turbulence. This injection of energy and cosmic rays participates in the regulation of the turbulence, the chemical enrichment and the structuring of the multiple phases of the interstellar medium.Moreover, when dense regions are compressed by the slower shocks (10^1 km/s) that propagate lately, the cold and dense medium that is left after a characteristic cooling time constitutes a potential site for the formation of new stars.Located at 1.8 kpc and about 25,000 years old, the supernova remnant IC443 offers the possibility to study these feedback mechanisms with accuracy. In these objects, the study of cosmic rays is pursued through the product of their interactions with the interstellar medium, which is a source of high energy photons (X-ray/gamma ray) emitted via four mechanisms: decay of neutral pions, Bremsstrahlung, inverse Compton scattering and synchrotron radiation. The interpretation of gamma-ray observations requires a detailed knowledge of the physical and chemical characteristics of the environment, such as the total mass of the gas, the intensity and energy distribution of the radiation field, and the presence of new cosmic ray injection sources.In the direction of the peak gamma-ray intensity, we have made new observations of the supernova remnant IC443 with the IRAM 30m telescope and the APEX telescope. In a 10'x10' field of observations, our spectral observations of 12CO, 13CO, C18O pure rotational lines and our continuum observations with the NIKA2 camera reveal the interstellar content of the region with an angular resolution of 10''-20''.Using radiative transfer models, we first produced maps of the total molecular gas mass in the region from the emission of 12CO and 13CO lines. We then used dust emission models to study the continuum between 3.4 microns and 2.0 mm (WISE, Spitzer, LABOCA, NIKA2). The use of the Bayesian algorithms PPMAP and HerBIE allows us to determine the column density and temperature of the dust, as well as several additional parameters with HerBIE. Our mass measurements via dust emission and that of the 12CO molecule are independent and in agreement. These measurements indicate the existence of two candidates for the interaction of the dense medium with cosmic rays at the origin of the gamma-ray production: a shocked molecular clump of ~250 solar masses, and a cold, quiescent molecular cloudlet of ~400 solar masses. On the one hand, these mass maps put precise constraints on the gamma-ray emission via neutral pion decay and Bremsstrahlung in the studied region. On the other hand, our radiation field map determined via HerBIE also allows us to constrain the inverse Compton scattering. Finally, with the help of source point catalogs we have determined the existence of potential protostars in the region. These protostars can also participate in the injection of medium energy cosmic rays (MeV-GeV).These results can be re-invested as input parameters in a gamma-ray emission model in order to determine the composition (hadronic or leptonic) and the main mechanisms of interaction of cosmic rays with the interstellar medium in IC443.
Les supernovae ont un impact majeur sur l’évolution du milieu interstellaire des galaxies. Ces explosions stellaires injectent 10^51 erg dans leur voisinage direct, soit l’équivalent de l’énergie émise par le Soleil durant toute son existence. Ces événements réguliers (environ deux par siècles dans la Voie Lactée) produisent une onde de choc rapide (jusqu’à 10^4 km/s) qui interagit avec le milieu ambiant durant plusieurs centaines de millier d’années.En plus d’être temporairement le siège de l’accélération de rayons cosmiques de haute énergie (TeV-PeV), les restes de supernovae déposent de l’énergie cinétique sur plusieurs dizaines de parsecs avant de se dissiper entièrement sous forme de rayonnement et de turbulence. Cette injection d’énergie et de rayons cosmiques participe à la régulation de la turbulence, à l’enrichissement chimique et à la structuration des multiples phases du milieu interstellaire.De plus, après refroidissement des régions denses comprimées par les chocs plus lents (10^1 km/s) qui se propagent tardivement, la formation de nouvelles étoiles peut être déclenchée.Situé à 1.8 kpc et âgé d’environ 25 000 ans, le reste de supernova IC443 offre la possibilité d’étudier ces mécanismes de rétro-action avec précision. L’étude des rayons cosmiques est poursuivie à travers le produit de leurs interactions avec le milieu interstellaire, source de photons de hautes énergie (rayon X/gamma) via quatre mécanismes : décomposition de pions neutres, Bremsstrahlung, effet Compton inverse et rayonnement synchrotron. L’interprétation des observations de rayon gamma requiert une connaissance fine des caractéristiques physiques et chimiques de l’environnement, tel que la masse totale du gaz, l’intensité et la distribution en énergie du champ de rayonnement, et la présence de sources d’injection de nouveaux rayons cosmiques.En direction du pic d’intensité des rayon gamma, nous avons réalisé de nouvelles observations du reste de supernova IC443 avec le télescope de 30m de l’IRAM ainsi que le télescope APEX. Dans un champ 10’x10’, nos observations spectrales de 12CO, 13CO, C18O et nos observations continuum avec la caméra NIKA2 révèlent le contenu interstellaire de la région avec une résolution angulaire de 10’’-20’’.À l’aide de modèles de transfert de rayonnement, nous avons d’abord produit des cartes de la masse totale de gaz dans la région à partir de l’émission de 12CO et 13CO. Nous avons ensuite utilisé des modèles d’émission de poussière pour étudier le continuum entre 3.4 microns et 2.0 mm (WISE, Spitzer, LABOCA, NIKA2). L’utilisation des algorithmes Bayésiens PPMAP et HerBIE permet de déterminer la densité de colonne et la température des poussières, ainsi que plusieurs paramètres supplémentaires avec HerBIE. Nos mesures de masses via l’émission des poussières et celle de la molécule 12CO sont indépendantes et en accord. Ces mesures indiquent l’existence de deux candidats pour l’interaction du milieu dense avec les rayons cosmiques à l’origine de la production de rayon gamma: un amas de gaz choqué de ~250 masses solaires, et un amas de gaz froid et non perturbé de ~400 masses solaires. D’une part, ces cartes de masse posent des contraintes précises sur l’émission de rayon gamma via la décomposition de pions neutres et le Bremsstrahlung dans la région étudiée. D’autre part, notre carte du champ de rayonnement déterminée via HerBIE nous permet aussi de poser une contrainte sur l’effet Compton inverse. Enfin, à l’aide de catalogues de points sources nous avons déterminé l’existence de potentielles protoétoiles dans la région. Ces dernières peuvent également participer à l’injection de rayons cosmiques de moyennes énergies (MeV-GeV).Ces résultats pourront être ré-investis en tant que paramètres d’entrée dans un modèle d’émission de rayon gamma afin de déterminer la composition (hadronique ou leptonique) et les mécanismes principaux d’interaction des rayons cosmiques avec le milieu interstellaire dans IC443.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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