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Vestiges de supernova et nuages moléculaires Les restes de supernova en coquille sont des candidats privilégiés à l'accélération de rayons cosmiques jusqu'à des énergies de l'ordre de 1015eV. La détection de ces objets en rayons gamma, bien qu'elle confirme l'accélération de particules, ne permet pas d’affirmer qu'ils s'agissent bien d'accélérateurs hadroniques. Une concentration de matière dense, tel qu'un nuage moléculaire, constitue une sonde idéale pour mettre en évidence la surdensité de rayons cosmiques attendue à proximité immédiate de l’accélérateur. Le groupe a ainsi effectué l'analyse de deux vestiges de supernova en interaction avec un nuage dense : la source HESS J1923+141 située dans la région de W51 et G349.7+0.2. Les analyses multi-longueurs d'onde de ces objets, des ondes radio au TeV ont alors permis de mettre en évidence l’origine hadronique des rayons gamma détectés (G349.7+0.2). Ces résultats ont été présentés à plusieurs reprises lors de conférences internationales entre 2009 et 2013 et sont en cours de publication par la collaboration.

Le rémanent de SN 1604 (supernova de Kepler).Image composite prise par les télescopes spatiaux Spitzer (infrarouge), Hubble (lumière visible) et Chandra (rayons X).

Le reste de supernova SN1006 observé par le satellite Chandra


Région de formation d’étoiles Le groupe du LAPP ouvre aujourd’hui une nouvelle fenêtre en astroparticules en explorant un nouveau type d’objet: les amas d’étoiles. Les vents stellaires de ces objets sont en effet capables de former une onde de choc potentiellement site d'accélération de particules et donc d’émission gamma. Leur contribution dans le flux de rayons cosmiques détectés sur Terre pourrait également être importante. Notre étude s'est tout d’abord focalisée sur quelques cas d'amas d'étoiles massifs. Une émission gamma a ainsi pu être mise en évidence sur NGC 2244, un amas d'étoiles très jeunes encore enfoui dans le nuage moléculaire géant qui lui a donné naissance. Une étude systématique sur ce type d'amas d'étoiles a alors été engagée en collaboration avec un théoricien du LUPM. L'objectif est d’estimer l’efficacité d’accélération des vents stellaires de l’amas en contraignant le modèle développé par les données des télescopes H.E.S.S. et du satellite Fermi. A ce jour, le groupe a élaboré une modélisation de l'émission gamma d’origines hadronique et leptonique et construit un catalogue d'amas prometteurs. Cette étude novatrice a fait l'objet d'une présentation orale à la conférence internationale sur les rayons cosmiques (ICRC) en juillet 2013. Elle fait également l’objet d’un « key science project » pour CTA.

Nébuleuse de la Rosette

Le grand nuage de Magellan (LMC) Le Grand Nuage de Magellan (LMC, Large Magellanic Cloud) est une galaxie satellite de la Voie Lactée, située à 48 kpc. Observé depuis la mise en service des quatre télescopes en 2004, l’exposition totale atteint aujourd’hui 183h faisant du LMC une des sources les plus observées par H.E.S.S. Le groupe du LAPP s’est fortement engagé sur l’analyse de ces données depuis 2009. Une première source a été découverte : la nébuleuse de pulsar N 157B. Il s'agit de la première découverte d'une nébuleuse de pulsar extragalactique en astronomie gamma. Grâce à une modélisation multi-longueur d'ondes le groupe du LAPP a estimé l’énergie fournie à l’accélération des électrons et la période de rotation du pulsar. Avec une période inférieure à 10 ms, l’étoile pro génitrice devait être très massive (supérieure à 15 masses solaires), à la limite de la formation d'un trou noir. Parallèlement aucune émission du très jeune vestige de supernova SN 1987A présent dans le LMC n’a été détectée. Les limites sur l’émission gamma ont alors permis de contraindre les modèles d’accélération de particules chargées. Ces résultats ont été publiés et présentés par le groupe à plusieurs conférences internationales (COSPAR10, ICRC09, ICRC11, Cosmic Kaleidoscope 12). La communication du groupe à l'ICRC 2011 a d’ailleurs été subventionnée par le comité français de physique de l’Académie des Sciences Françaises.

Le grand nuage de Magellan

Nébuleuses de pulsar (Pulsar Wind Nebula - PWN) Les nébuleuses de pulsars sont responsables de la majorité des émissions gamma dans notre galaxie. Elles présentent des morphologies variées, liées à leur histoire, aux caractéristiques du pulsar associé, mais aussi aux interactions avec le milieu interstellaire et avec les éjecta de la supernova. L’étude morphologique et spectrale d’un prototype d’âge moyen, Vela X a permis de comprendre la physique de ces objets : leur évolution dans un milieu inhomogène; l’origine inverse Compton de l’émission gamma; les temps de refroidissement des électrons; la rapidité de diffusion des électrons ainsi que leur budget énergétique. Ce travail a fait l’objet d’une publication de l’équipe LAPP au nom de la collaboration H.E.S.S. Ces travaux laissent penser que les électrons cosmiques mesurés sur terre pourraient être générés par les pulsars les plus proches de nous. Afin de confirmer cette hypothèse, de nombreux paramètres doivent cependant être contrains, notamment : les spectres d’injection des e+ e-, leur temps de confinement dans la source, l’efficacité d’accélération, mais aussi la distance et l’âge des PWN, leur vitesse de rotation et de dérive... Pour toutes ces raisons, un travail avec le groupe AMS et les données du satellite Fermi a été engagé au sein du laboratoire.

Image:220px-Crab Nebula.jpg

La Nébuleuse du Crabe observée en optique par le télescope spatial Hubble

Recherche de matière noire Les particules de matière noire peuvent s'annihiler entre elles en émettant des photons dans la longueur d'onde des rayons gamma. Ce phénomène est d'autant plus probable que la densité de matière noire est élevée.  Au cours des quatre dernières années, le groupe du LAPP a poursuivi avec H.E.S.S. ses observations de Galaxies naines caractérisées par un grand rapport masse-lumière et plus particulièrement  la galaxie naine du Sagittaire. En absence de signaux et en combinant les données des cinq cibles pour un total de 140 heures d’observation,  le groupe a obtenu la courbe d’exclusion d’un signal gamma la plus contraignante de toutes les galaxies naines observées à ce jour aux énergies du TeV. L’équipe du LAPP au nom de la collaboration H.E.S.S. a récemment publié ce résultat.


Noyaux actifs de galaxie - NAG Les noyaux actifs de galaxie sont des objets extragalactiques forts émetteurs en rayons gamma. Une cinquantaine de ces objets a été détectée conjointement avec le satellite Fermi (100 MeV-300 GeV) et les observatoires Tcherenkov (notamment l'expérience H.E.S.S.). Depuis 2013, les physiciens du LAPP dans le cadre du Labex ENIGMASS, en collaboration avec des théoriciens du LAPTh et de l’université de Turin, ont ouvert un champ de recherche dans ce domaine. Ce travail a permis entre autre la détermination de la distribution en luminosité et des distances des NAG les plus énergétiques ayant menée à une meilleure compréhension du fond gamma diffus ainsi que la publication d'un catalogue de limites supérieures provenant des observations H.E.S.S. Les physiciens du LAPP sont aussi impliqués dans l'analyse des premières données du télescope H.E.S.S.-2 dont le seuil en énergie descend à environ 50 GeV qui permettra la détection de nouvelles sources (nouvelles classes, sources lointaines, etc..). Un groupe de travail international a également été formé pour réaliser une campagne d'observations multi-longueurs d'onde et donc multi-instruments de ces objets.

Vue schématique d'un NAG

Le jet de la radio-galaxie M87 en rayons X, optique et radio

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