Rapport quadriennal 2002 - Laboratoire d'Astrophysique de l ...

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Rapport d’activité 1999-2001 LAOG 1 Haute énergie et plasmas astrophysiques Le sigle SHERPAS, Sources de Haute Energie Relativistes Plasmas Accrétion-éjectionS, désigne l’équipe. 1.1 Composition de l’équipe La liste des permanents de l’équipe est donc J. Ferreira (MdC), D. Fraix-Burnet (CR1), G. Henri (PR2), P-Y. Longaretti (CR1), G. Pelletier (PRCE), P-O. Petrucci (CR2). Le flux de doctorants et leur devenir est présenté dans le tableau suivant. Année de thèse postdoc insertion F. Rosso 1994 - Prof. Cl. Prépar. J. Ferreira 1994 Heidelberg MdC UJF A. Marcowith 1996 Heidelberg, Utrecht CR2 CESR P-O. Petrucci 1998 Milan CR2 LAOG N. Renaud 1999 Agrégation Prof. Cl. Prépar. E. Kersalé 2000 X, Leeds, Cambridge F. Casse 2001 Utrecht L. Saugé 2003 D. Gialis 2004 Signalons que E. Galiano est en thèse au Chili dans le cadre de l’ESO avec une co-direction D. Alloin et D. Fraix-Burnet sur un thème AGN avec le VLT. 1.2 Faits saillants • Calcul des écoulements d’accrétion-éjection avec couple magnétique et couple visqueux, chauffage additionnel, en particulier coronal ; flexibilité des solutions, dégagement des contraintes observationnelles. • Excitation de la turbulence hydrodynamique dans les disques d’accrétion, phénoménologie et simulation numérique. • Transport des particules suprathermiques dans un champ magnétique chaotique, diffusion angulaire, diffusion spatiale le long des lignes de champs et diffusion anormale transverse ; conséquences sur la physique des rayons cosmiques de très haute énergie. • Simulation des sursauts haute énergie dans les blazars et microquasars, mettant en œuvre effet Compton, création de paires, rayonnement synchrotron et accélération in situ ; modélisation de la variabilité. • Forte contribution à la controverse sur l’origine du rayonnement gamma des blazars, à savoir, électrodynamique ou hadronique et critique de l’estimation des flux de neutrinos des AGNs. 1.3 Historique et évolution La thématique, assumée par une seule personne avec des collaborations extérieures dès 1982 dans le laboratoire, dans la perspective d’une implication annoncée de l’IRAM dans l’étude des Noyaux Actifs de Galaxie, est devenue celle d’une équipe avec l’arrivée de G. Henri et de deux thésards (F. Rosso et J. Ferreira) en 1991. Jusqu’à cette date, l’activité était essentiellement concentrée sur la physique du rayonnement non thermique des radiogalaxies (noyau actif, jets, points chauds) à travers l’étude des jets extragalactiques et de leurs perturbations (instabilités, turbulence, chocs et accélération de Fermi). Puis l’élargissement s’est fait dans deux directions, d’une part, l’étude des structures MHD d’accrétion-éjection et, d’autre part, l’étude des phénomènes de haute énergie (rayonnements X et gamma, effet Compton et création de paires) associés à l’éjection relativiste. 50
Chapitre B Thèmes: Bilan et prospective L’arrivée de P.-Y. Longaretti en 1993, de D. Fraix-Burnet en 1995 permit de consolider l’équipe sur l’étude des phénomènes de transport et de leur simulation, d’une part, et sur la phénoménologie des jets et leurs observations, d’autre part. Le recrutement de P.-O. Petrucci en 2001 permet l’ancrage de l’équipe sur l’astronomie X et gamma de basse énergie (XMM et Integral). Depuis 1991, la thématique de l’équipe se déploie donc selon trois triangles intimement reliés, le triangle “phénomènes astrophysiques” -disque d’accrétion, éjections et rayonnement de haute énergie (cela concerne aussi bien les Noyaux Actifs de Galaxie, que nous appellerons “AGNs” que les microquasars, les sursauts gamma, que nous appellerons “GRBs”, les nébuleuses de pulsars ou les étoiles jeunes), le triangle “disciplines physiques” –MHD de l’environnement des objets relativistes, théorie cinétique des plasmas relativistes, physique des hautes énergies (ou “astroparticules” selon le point de vue)- et le triangle “méthodes d’investigation” théorie, simulation numérique, observation. L’activité dominante de l’équipe est néanmoins théorique ; la primauté est donnée au développement de la physique suscitée par la compréhension des phénomènes cosmiques de haute énergie, tout en assurant l’accompagnement scientifique des projets de ce domaine. L’équipe a joué un rôle important dans la création du GdR Phénomènes Cosmiques de Haute Energie (PCHE) ainsi que dans le réseau de collaboration régionale “Cosm’Alpes” avec nos collègues de l’ISN, du CRTBT et du LAPP. Elle participe fortement à ces structures d’échanges et de collaboration, ainsi qu’à des réseaux européens et à une collaboration INTAS. En outre, l’équipe est intégrée à collaborations sur des projets d’astronomie de haute énergie, CAT/CELESTE, HESS, ECLAIRS, GLAST. Elle a aussi des programmes d’observation avec XMM, Integral et AMBER. L’équipe est fortement impliquée dans la formation doctorale (G. Pelletier a créé cette formation en 1992 et l’a dirigée jusqu’en 2000, G. Henri en est l’actuel directeur ; P-Y. Longaretti y donne également des cours) et a formé 7 thésards. En outre G. Henri et G. Pelletier organisent en août 2002 une école d’été au Centre de Physique Théorique des Houches sur cette thématique. 1.4 Thématique et bilan Ces quatre dernières années ont vu notre activité théorique, motivée par la connaissance de l’environnement des trous noirs et des étoiles jeunes, s’approfondir sur la modélisation des écoulements MHD d’accrétionéjection, des instabilités MHD dans ces écoulements, des éruptions relativistes avec emballement de la création de paires dans le cas des AGNs (notamment les “Blazars”), le transport et l’accélération des particules relativistes. Ces travaux sont tous des facettes de la description physique de ces objets pour lesquels un effort important est consenti par la communauté astrophysique internationale. Outre les développements de modélisation d’objets, ils ont donné lieu à quelques résultats fondamentaux marquants. Dans les AGNs, le phénomène de haute énergie (rayonnement X et gamma, production de rayons cosmiques et de neutrinos de haute énergie) dépend de façon étroite du phénomène d’accrétion-éjection, qui est le plus puissant. Trois modèles d’éjection sont encore en lice, à savoir, l’un fondé sur l’extraction par le champ magnétique du moment angulaire d’un trou noir en rotation rapide (effet Blandford–Znajek), le second sur l’extraction du moment angulaire d’un disque d’accrétion, le troisième sur la poussée Compton d’un plasma de paires dans le “chaudron magnétique” au-dessus des pôles du trou noir. Notre équipe est fortement impliquée dans l’élaboration et la comparaison de ces modèles, ainsi que dans ceux développés pour les étoiles jeunes ; la haute énergie dans ce cas est le rayonnement X, et la rotation de l’étoile est aussi envisagée en compétition avec la contribution du disque d’accrétion. 1.4.1 MHD Nous avions montré ultérieurement (Ferreira & Pelletier 1995) qu’un champ magnétique proche de l’équipartition dans un disque quasi-keplerien est capable de produire des jets emportant la majeure partie de la puissance libérée par l’accrétion dans la mesure où il extrait l’essentiel du moment angulaire de la matière accrétée. Les conditions que nous avions dégagées étaient tout à fait sensées mais néanmoins contraignantes et ne permettaient pas d’avoir une puissance comparable dans le rayonnement du disque. Des nouvelles solutions ont été calculées (Casse & Ferreira, 2000a, 2000b) en tenant compte des deux modes de prélèvement du moment angulaire (magnétique et visqueux) et d’un chauffage additionnel, pouvant 51
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