Les rayons cosmiques d'énergie inférieure à 1 PeV (10^15 eV) sont considérés comme étant d'origine galactique. Plusieurs considérations théoriques et observationnelles suggèrent que la majorité des rayons cosmiques galactiques sont produits par les restes de supernovae. Cependant, cette idée montre ses limites lorsque l'on s'intéresse à la composition du rayonnement cosmique et à l'énergie maximale à laquelle les restes de supernovae peuvent accélérer des particules.
D'autres sources de particules sont considérées pour pallier les difficultés rencontrées par le paradigme des restes de supernovae. Parmi elles, les régions de formation stellaire connaissent un intérêt croissant.
Les régions de formation stellaire sont des régions où se concentrent de nombreux accélérateurs potentiels de particules, comme les restes de supernovae ou les pulsars et leurs nébuleuses. Pour des amas d'étoiles suffisamment compacts, l'action collective des vents stellaires et des restes de supernovae peut engendrer la formation d'une super-bulle en expansion dans le milieu interstellaire.
La concentration d'accélérateurs potentiels garantit une production de rayons cosmiques dans les régions de formation stellaire. Cependant, toute la question est de savoir si ces régions jouent un rôle spécifique au-delà des accélérateurs individuels et si c'est le cas, par quels mécanismes les particules sont accélérées et transportées dans ces régions.
En 2011, un excès de rayons gamma a détecté grâce au Fermi Large Area Telescope (LAT) dans la région de formation stellaire du Cygne interprété alors comme la présence de rayons cosmiques fraîchement accélérés possiblement par l'association Cygnus OB2. L'objectif de mon travail de thèse est de réaliser une étude spectro-morphologique approfondie de la région du Cygne pour comprendre les mécanismes d'accélération et de propagation des particules dans cette région. Pour cela, j'ai utilisé 13 ans d'observations Fermi entre 0.5 GeV et 1 TeV.
Cette nouvelle analyse révèle une structure plus riche que précédemment, avec plusieurs composantes morphologiques et des différences spectrales. Notamment, une composante très étendue de ~4° de rayon, dont le centre est décalé par rapport à l'association Cygnus OB2, et une composante plus compacte, corrélée au gaz ionisé qui entoure les principaux amas stellaires de la région.
Nous montrons qu'un modèle simple de transport diffusif avec une seule population de particules injectées peut rendre compte des observables que nous avons produites, aussi bien dans des scénarios hadroniques que leptoniques. Nous montrons que l'éventail de scénarios viables va d'une injection continue avec suppression de la diffusion par un ou deux ordres de grandeurs par rapport à la diffusion moyenne dans le milieu interstellaire, ce qui est pertinent pour des amas stellaires, à des scénarios d'injection récente avec une diffusion de type interstellaire ou supprimée par un ordre de grandeur, ce qui est pertinent pour des restes de supernovae. Cette modélisation simple permet d'élargir le champ des possibilités pour l'origine des rayons cosmiques dans la région du Cygne par rapport aux interprétations des précédentes analyses.
Les futurs observatoires en rayons gamma dans le domaine du TeV mais aussi dans le domaine sous-exploité du MeV vont permettre de mieux comprendre l'évolution de la morphologie du cocon en fonction de l'énergie sur une bande large et de discriminer entre les scénarios hadroniques ou leptoniques. La comparaison de ces nouvelles observables avec des modèles auto-cohérents basés sur des paramètres physiques pertinents pour le Cygne pourrait permettre de progresser dans l'identification des mécanismes d'accélération et de propagation. L'influence de paramètres comme l'âge de la région ou la population stellaire sur l'émission gamma observée pourrait être étudiée en reproduisant cette analyse sur d'autres régions dans la galaxie, comme celle de Westerlund 1. |
Cosmic-rays with energies below 1 PeV (10^15 eV) are thought to be of Galactic origin. Several theoretical and observational considerations suggest that the bulk of Galactic cosmic-rays is produced by supernova remnants. However, this idea faces several limitations concerning the cosmic-ray composition and the maximum energy at which supernova remnants can accelerate particles.
Other sources of particles are considered to address the difficulties encountered by the supernova remnants paradigm. Among them, star-forming regions are gaining increasing interest.
Star-forming regions are born in large molecular clouds and host most of the massive stars in the Galaxy. They concentrate numerous potential accelerators, such as supernova remnants or pulsars and their wind nebulae. For sufficiently compact star clusters, the collective action of stellar winds and supernova remnants can create a super-bubble expanding in the interstellar medium.
This concentration of potential accelerators ensures the production of cosmic rays in star-forming regions. However, the question is whether these regions play a specific role in the acceleration and transport of particles beyond the presence of individual accelerators.
In 2011, a gamma-ray excess was detected in the Cygnus star-forming region using the Fermi Large Area Telescope (LAT), interpreted at that time as the presence of freshly accelerated cosmic-rays, possibly by the Cygnus OB2 association. The goal of my thesis is to carry out a detailed spectro-morphological study of the Cygnus region to understand the acceleration and propagation mechanisms in this region. To achieve this goal, I used 13 years of Fermi observations between 0.5 GeV and 1 TeV.
This new analysis reveals a richer structure than previously thought, with several morphological components and spectral differences. In particular, a very extended component of ~4° in radius, whose center is offset from the Cygnus OB2 association, and a more compact component correlated with the ionised gas surrounding the main stellar clusters in the region.
We show that a simple diffusive transport model with a single population of injected particles can account for the observables we have produced, both in hadronic and leptonic scenarios. We show that the range of viable scenarios ranges from continuous injection with diffusion suppressed by one or two orders of magnitude compared to the average diffusion in the interstellar medium, which is relevant for star clusters, to scenarios of recent injection with diffusion similar to the large-scale interstellar average or suppressed by one order of magnitude, which is relevant for supernova remnants. This simple modeling expands the scope of possibilities for the origin of cosmic rays in the Cygnus region compared to the interpretations of previous analyses.
Future gamma-ray observatories in the TeV domain but also in the under-exploited MeV domain will allow for a better understanding of the evolution of the cocoon morphology with energy in a large band and for discrimination between hadronic and leptonic scenarios. By comparing these observables with self-consistent models based on physically relevant parameters for the Cygnus region, we may be able to make progress in identifying acceleration and propagation mechanisms. The influence on the observed gamma-ray emission of parameters such as the age of the region or the stellar population could be studied by reproducing this analysis in other regions in the Galaxy, such as Westerlund 1. |