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JCJC - SIMI 5 - Physique subatomique et théories associées, astrophysique, astronomie et planétologie (JCJC SIMI 5)
Edition 2013


EMPERE


Électrodynamique de la Magnétosphère des Pulsars: Équilibre, Reconnexion, Émission

Électrodynamique de la Magnétosphère des Pulsars: Équilibre, Reconnexion, Émission (EMPERE)
Vers une meilleure compréhension de l'électrodynamique des étoiles à neutrons et de son implication sur les phénomènes de basse et haute énergie (rayonnement pulsé, reconnexion magnétique, accélération de particules) au sein de la magnétosphère et du vent des pulsars.
Étude des effets d'un champ gravitationnel important et d'un champ magnétique intense sur la dynamique de la magnétosphère des étoiles à neutrons.

Scruter la magnétosphère des étoiles à neutrons sous des aspects complémentaires
Ce projet a pour ambition d'étudier les aspects les plus importants de la physique de la magnétosphère et du vent des étoiles à neutrons sous trois angles différents mais complémentaires.

Dans une première partie, on s'efforce de calculer de manière auto-cohérente la structure électrodynamique globale à grande échelle de la magnétosphère et du vent d'un pulsar, tenant compte de la présence du plasma relativiste ainsi que de sa rétroaction sur le champ électromagnétique de l'étoile. On étudie aussi les effets de relativité générale et les éventuelles corrections induites par l'électrodynamique quantique.

Dans une deuxième partie, les conséquences observationnelles d'un tel état d'équilibre du plasma magnétosphérique sont analysées au travers de l'émission pulsée radio et de haute énergie émanant du voisinage immédiat de l'étoile : il s'agit essentiellement de la magnétosphère et de la zone proche du vent. Les prédictions sur la polarisation permettront de contraindre la topologie du champ magnétique et de localiser les régions actives, siège de l'accélération et de l'émission.

Dans une troisième et dernière partie, les processus physiques responsables d'une telle émission sont passés à la loupe par le biais de simulations magnétohydrodynamiques (MHD) de la reconnexion magnétique en régime relativiste et fortement magnétisé. L'ensemble est complété par l'étude des processus d'accélération dans des structures spécifiques de reconnexion grâce aux simulations incluant des particules tests. Le rayonnement issu de la reconnexion est traitée a posteriori.

Ces trois parties sont intimement liées entre elles, les résultats provenant d'une partie pouvant influencer l'approche utilisée dans les autres parties. Cette démarche, à la fois originale et innovante, nous permettra de quantifier la pertinence des phénomènes physiques mis en jeu dans le fonctionnement d'un pulsar.

Une méthodologie centrée sur l'interaction entre théorie, simulations et observations
Notre modélisation de la magnétosphère est guidée par les récentes observations multi-longueur d'onde de l'émission pulsée des pulsars. Deux approches sont mises en œuvre pour mener à bien notre projet: d'une part des calculs semi-analytiques et d'autre part des simulations numériques grâce à l'utilisation de codes existants tels que AMRVAC (adaptative mesh refinement versatile advection code) et d'autres codes fournis par nos collaborateurs étrangers ainsi que des outils que nous développons nous-même à l'observatoire de Strasbourg. Nous avons en effet employé des algorithmes numériques novateurs tel que les méthodes pseudo-spectrales combinées à des méthodes volumes finis d'ordre élevé du type Galerkine discontinue. Cette nouvelle approche permet un traitement efficace et précis des calculs en géométrie sphérique ainsi qu'une parallélisation du code grâce à la bibliothèque MPI (Message Passing Interface). Les signatures observationnelles de notre modélisation se traduisent par un rayonnement pulsé des ondes radio jusqu'aux hautes énergies. Nous déduisons les courbes de lumière à partir des résultats de nos simulations grâce à des techniques de post-traitement.
Nous poursuivons donc un double objectif. D'une part comprendre la structure auto-cohérente de la magnétosphère et du vent des pulsars et d'autre part comprendre l'émission pulsée radio et de haute énergie provenant d'une telle configuration de plasma magnétosphérique. Nous espérons contraindre sévèrement la structure de la magnétosphère grâce à ces observations.

Résultats

Premièrement, nous avons calculé le spectre synchrotron émanant d'un événement de reconnexion magnétique explosive dans le vent strié d'un pulsar avec application aux sursauts gamma de la nébuleuse du Crabe.

Deuxièmement, l'étude des configurations magnétosphériques s'est concrétisée par un logiciel de simulation numérique auquel des modules supplémentaires de relativité générale et d'électrodynamique quantique ont été ajoutés. Ce travail a été décliné sous forme de publications formulant les équations de Maxwell en relativité générale avec des corrections d'électrodynamique quantique en formalisme 3+1. Une première application consiste à trouver la solution analytique approchée pour un dipôle magnétique statique. L'extension au dipôle tournant requiert des simulations numériques qui ont été effectuées récemment et confirmant l'effet négligeable de l'électrodynamique sur la dynamique globale de la magnétosphère. Les effets de relativité générale ont été analysés dans leurs moindres détails pour une magnétosphère vide et remplie d'électrons-positrons. La puissance totale rayonnée par l'étoile entourée d'un plasma et tenant compte des effets de relativité générale a montré que l'indice de freinage n'est pas affecté par la gravitation, ni par le plasma. Il reste très proche de la valeur théorique égale à 3 et prédite par une magnétosphère vide. En revanche, la contribution des champs multipolaires affecte sensiblement l'estimation de sa valeur à la surface et rend caduque le modèle se basant sur une estimation à partir du rayonnement dipolaire magnétique. Nous avons analysé les effets d'un dipôle décentré sur les propriétés de l'émission pulsée, c'est-à-dire des courbes de lumières et de la polarisation. Nous pourrons à terme vérifier nos hypothèses par une analyse minutieuse des observations.

Troisièmement, le calcul du rayonnement pulsé émanant du vent a été prédit aux très hautes énergies. Nous avons démontré la possibilité de détecter le pulsar du Crabe au TeV.

Perspectives

À long terme, nous inclurons les équations de l'hydrodynamique dans notre description de l'électrodynamique de la magnétosphère. Nous espérons prochainement obtenir des résultats quantitatifs précis et potentiellement importants pour le diagnostic des signatures observationnelles de la magnétosphère en incluant des phénomènes dissipatifs tel qu'un courant résistif par exemple ou de la dissipation par réaction de rayonnement.
Sur le rayonnement haute énergie, le but à moyen terme sera de comparer nos prédictions des courbes de lumière avec les données en rayons X et gamma qui montrent un déphasage entre le temps d'arrivée des photons dans ces deux bandes d'énergie difficilement conciliable avec les modèles actuels. Cela permettra d'améliorer nos contraintes sur les modèles d'émission pulsée. L'étude détaillée des courbes de lumière multi-longueurs d'onde associées à cette émission est en cours. L'ajustement des courbes de polarisation dans le domaine radio est un autre aspect important pour contraindre la géométrie du champ magnétique et localiser les sites d'émission basse énergie. L'image simpliste d'un dipôle magnétique situé au centre de l'étoile parfaitement sphérique est trop naïve et doit être abandonnée. Les écarts envisageables par rapport à cette hypothèse sont nombreux. Par exemple, nous étudions actuellement les conséquences d'un dipôle décentré sur l'émission pulsée et la structure du vent. L'étoile, à cause de sa rotation et de la pression anisotrope exercée par le champ magnétique, se déforme et ne ressemble plus à une sphère parfaite. Nous chercherons à déduire la présence de telles déformations dans les données multi-longueur d'onde.
Notre expérience nous permettra aussi d'étudier la magnétosphère et les jets autour des trous noirs. En effet, les outils théoriques et numériques à notre disposition seront aisément transposables à ce type de problématique.

Productions scientifiques et brevets

Nos résultats scientifiques ont été diffusés au sein de la communauté scientifique internationale sous forme de publications dans des journaux spécialisés de physique des plasmas et d'astrophysique. Notre participation régulière et active à des conférences de niveau international favorise aussi la diffusion de nos connaissances.

Actuellement, nous avons publié 20 articles dans des journaux de rang A. Nous avons présenté 23 exposés oraux dont quelques uns invités ainsi que 13 posters.

Nos connaissances sont aussi diffusées vers le grand public par l'intermédiaire d'articles de vulgarisation dans des magazines d'actualités scientifiques et de conférences.

Partenaires

Laboratoire public

Aide de l'ANR 244 854 euros
Début et durée du projet scientifique septembre 2013 - 48 mois

Résumé de soumission

Parmi la diversité des populations stellaires observées dans notre galaxie, les étoiles à neutrons restent les objets compacts les plus énigmatiques. Produit final de l'évolution stellaire, elles concentrent en leur sein une importante quantité de matière de l'ordre de la masse du Soleil dans une région de quelques kilomètres de diamètre. Leur densité centrale dépasse aisément la densité d'un noyau atomique. De plus, durant la phase d'implosion du progéniteur, la conservation approximative du flux magnétique augmente considérablement l'intensité du champ de sorte que des phénomènes d'électrodynamique quantique deviennent dominants, tout particulièrement au voisinage immédiat de la surface de l'étoile (création de paires électron/positron, rayonnement quantique). Dans ce projet, on s'intéresse à une sous classe d'étoiles à neutrons connues sous le nom de pulsars. Ces derniers émettent un rayonnement pulsé balayant tout le spectre électromagnétique, des ondes radio, en passant par l'infra-rouge, le visible, jusqu'aux rayons X et gamma. Le niveau de complexité globale de ces objets est souvent sous estimé. En effet, les quatre interactions fondamentales - forte, faible, gravitationnelle et électromagnétique - sont intimement liées dans ces étoiles, qui plus est en régime de champ fort, c'est-à-dire dans un espacetemps de courbure significative et pour des champs magnétiques très intenses. Le comportement conjoint de ces forces dans de telles conditions extrêmes n'est pas encore bien compris. Bien que peu de progrès ait été accomplis depuis leur découverte voici plus de 40 ans, les pulsars représentent d'excellents laboratoires pour les physiciens des particules et les physiciens nucléaires. Ils nous confrontent aux limites actuelles de nos connaissances, une situation dans laquelle un fort champ de gravité se couple de manière non triviale à la mécanique quantique. Néanmoins, les pulsars ont déjà démontré leur potentialité à répondre à certaines de ces interrogations. Il s'agit notamment d'un test de la relativité générale en champ fort avec une précision inatteignable sur Terre grâce à l'observation indirecte des ondes gravitationelles. Trouver les limites et/ou les lacunes de nos meilleures théories actuelles de la gravitation est une quête majeure de l'astrophysique. Malheureusement, à ce jour, seul le rayonnement électromagnétique est accessible sur Terre, que ce soit l'émission thermique de la surface de l'étoile ou l'émission haute énergie provenant de la magnétosphère et/ou du vent.

Notre projet a pour but d'étudier différents aspects fondamentaux mais complémentaires de la physique des pulsars reliés à des écoulements relativistes fortement magnétisés. Nous nous intéresserons aux propriétés radiatives et électrodynamiques du plasma présent dans la magnétosphère et le vent jusqu'au choc terminal, c'est-à-dire la région dans laquelle l'écoulement pénètre dans la nébuleuse environnante. Différents mécanismes au sein du plasma seront décortiqués tels que
- les écoulement stationnaires et fortement magnétisés générés par le pulsar
- les instabilités, l'accélération des particules et la reconnexion
- les propriétés émergentes de l'émission pulsée
- la confrontation de nos résultats aux données disponibles et à venir dans la gamme des hautes énergies, rayons X et gamma, ainsi que de la polarisation associée.

Deux approches seront mises en oeuvre pour mener à bien le projet: des calculs (semi-)analytiques ainsi que des simulations numériques grâce à l'utilisation de codes existants tels que VAC (versatile advection code et sa verion adaptive, AMRVAC) mais aussi d'autres collaborateurs et des outils développés à Strasbourg même, multifluide et PIC. Les signatures radiatives seront déduites des résultats des simulations par des méthodes de post-processing.

 

Programme ANR : JCJC - SIMI 5 - Physique subatomique et théories associées, astrophysique, astronomie et planétologie (JCJC SIMI 5) 2013

Référence projet : ANR-13-JS05-0003

Coordinateur du projet :
Monsieur Jérôme Petri (Observatoire Astronomique de Strasbourg)

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.