Journées Scientifiques IRAP 4

Mécanismes d’émissions
dans les plasmas relativistes
Mise en place d’une action pluridisciplinaire
Pierre-Louis BLELLY
et les participants à l’action
Journées Scientifiques IRAP 4-5 octobre 2012
Contexte
• Action pluridisciplinaire
– Processus physiques associés aux plasmas relativistes
– Objectif : briser le cloisonnement
– Évolution de la thématique plasma
• Groupe pluridisciplinaire
– Convergence des compétences
– Goupe ouvert : Astro + Planéto
– géré par GPPS
• Domaine
– Outils de modélisation
– Développement instrumental
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Absorption  dans les binaires
• Detection de Cyg X-1
– MAGIC (TeV)
Integral
MAGIC
• Durant l’observation
– trou noir derrière l’étoile
• Pas d’observation possible a priori
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Terrestrial  ray flashes (TGF)
• Découverts en 1994
– BATSE sur CGRO
– Durée brève ( ms)
– Taux de comptage élevé
• Le spectre en énergie s’étend au-delà de 40 MeV
– Observations jusqu’à 100 MeV
– Pas de source directe
• Mystère à résoudre
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Tavani et al., 2011
Mécanismes
• Nécessité
– de « contourner » les obstacles
– d’apporter un gain en énergie important
– de créer des photons observables
• Mécanismes
– d’accélération
 magnétique
 électrique
– de conversion
 rayonnement-rayonnement
 particule-rayonnement
– de rayonnement
 synchrotron
 Bremsstrahlung
– d’amplification
 cascades
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Absorption gamma-gamma dans les binaires
• Flux à 1 TeV absorbé
– Autre mode de transmission
• Possibilité d’une cascade e-/e+ , 
– Interaction avec le rayonnement de l’étoile
Création d’autre paires
– Source spatialement étendue
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Cascades de paires spatialement étendues
• Simulations Monte-Carlo
– Développement de la cascade 3D
inverse Compton
production de paires
Synchrotron
• Observation
Cygnus X-1
INTEGRAL
MAGIC
(Zdziarski, Malzac, Bednarek, MNRAS, 2009)
– Photons créés à grande distance de l’étoile
Possibilité d’échappement
• Rôle crucial de l’outil de modélisation
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Localisation des TGF
• Régions d’orages
• Concerne
– photons  et X
– Électrons relativistes
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TLE et TGF au-dessus des cellules orageuses
km
700
Ionosphere
Elves
Elves: 1 ms
E&M pulse
Sprites
Earth-ionosphere
waveguide
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TGFs
Gigantic Jets
Halo: 1-5 ms:
glow discharge
Sprite: 1-10 ms;
streamer discharge
Blue Jets
Blue jets:
5-1000ms
process ?
Questions
• La source des TGF reste un mystère
– Bremsstrahlung produit par des électrons relativistes
– Localisation de la source ?
 sprites
 orages
– Mécanismes de base pour produire les électrons relativistes ?
 Relativistic runaway electron avalanches
Quasi-static electric field
Electromagnetic impulses
 Radiation belts electrons
 Extensive cosmic-ray air showers
• Mécanismes à l’origine des événements TGF
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Contraintes sur les sources
• Forme du spectre X et 
– Compatible avec bremsstrahlung d’électrons relativistes
• Raidissement du spectre au-dessus de 1 MeV
– Propagation dans des couches denses de l’atmosphère
50  130 g.cm-2
– 15-21 km
• Flux élevés dans la région de production
– A 15 km: 1017 électrons produits
– A 21 km: 1016 électrons produits
• Électrons non observés à haute altitude
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Mécanisme d’accélération
• Champ électrique
• Mécanisme d’avalanche (RREA)
Force
F friction
Ff
Ffriction > Felectrique
Fe
Ff
Fe
Felectrique >Ffriction
F electrique
ELECTRONS RUNAWAY
Vitesse électronique
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Rétroaction relativiste
• Mécanisme
– Propagation à contre-sens de positrons runaway
– rayonnement X associé
– Création d’une grand nombre de graines
• Compatible avec un champ électrique de rupture
– Décharge en moins de 1 ms
– Flux élevé de runaway
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Faisceaux d’électrons relativistes
• Engendrés par les TGF
– Interaction avec l’atmosphère
9,9 %
 Diffusion Compton
 production de paires
 Dans les couches denses
– Absorption des particules secondaires
 Au-dessus de 40 km
34 %
– Un portion significative peut s’échapper
• Production
–  1% du rayonnement  au-dessus 100 keV
–  1% de l’énergie totale du rayonnement 
–  98% électrons et 2% positron
 En fait plus de positrons
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19 %
Briggs et al., 2011
Tool for the Analysis of RAdiations from lightNIngs and Sprites
Orbite :
Polaire, héliosynchrone
Altitude : 700 km
Nœud ascendant : 22h30
Pointage :
Précision : 0.5° minimum
Restitution d'altitude : 0.1°
Stabilité : 0.12° /s
Précision de localisation : 5 km
Durée de la mission : 2 à 3 ans
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Emissions lumineuses
MCP, ensemble de 2 caméras et de 3 photomètres
Ondes électromagnétiques
IME‐BF, antenne BF de mesure du champ électrique,
IME‐HF, antenne HF de mesure du champ électrique,
IMM, un magnétométre triaxe de type "search‐coil »
Particules énergétiques
XGRE, ensemble de 3 détecteurs X et ,
IDEE, ensemble de 2 détecteurs d'électrons
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TARANIS: Instrumentation
Besoins
• Expertises sur les populations rencontrées
– Électrons et positrons relativistes
– X et  de qques keV jusqu’à 100 MeV
• Développement d’un outil de modélisation adapté
– Monte Carlo
• Processus variés à intégrer
– Mécanismes d’interaction
– Mécanismes d’accélération
• Synergie à mettre en œuvre
– Groupe de travail
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Objectifs
• Approche processus plutôt qu’objet
– Développement de boîtes à outils
 Modèles numériques
• Aspect détection et mesure important
– Prolonger la synergie aux détecteurs
 Technique
 Modélisation de la réponse
• Analyse et interprétation
– Approche globale
 Transport depuis la source jusqu’au détecteur
 Résolution problème inverse
– Reconstitution du spectre de la source à partir de l’observation
– Mécanisme source
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