Projet ANR-13-JS05-0003 – EMPERE : Électrodynamique de la Magnétosphère des Pulsars: Équilibre, Reconnexion, Émission
Programme : JCJC - SIMI 5 - Physique subatomique et théories associées, astrophysique, astronomie et planétologie (JCJC SIMI 5)
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Monsieur Jérôme PÉTRI (Observatoire Astronomique de Strasbourg)
Partenaires : Laboratoire public
Montant : 244854.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 48 mois
Résumé : 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.
Les objectifs novateursCe 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 sera 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 observationsDeux 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. Les signatures observationnelles de notre modélisation se traduisent par un rayonnement pulsé de la 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.
Résumé de la 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.
Résultats : Chaque partie de notre projet progresse à un rythme soutenue.
Premièrement, nous avons calculé le spectre synchrotron émanant d'un événement de reconnexion magnétique explosive avec application aux sursauts gamma de la nébuleuse du Crabe (Takamoto et al., MNRAS 2015). 
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 (Pétri, MNRAS 2015, 451, 3581) dont une première application au dipôle magnétique statique (Pétri, MNRAS 2016, 456, 4455). L'extension au dipôle tournant est achevée et soumise (Pétri, MNRAS soumis). Les effets de relativité générale ont été analysés dans leurs moindres détails (Pétri, MNRAS 2016, 455, 3779). 
Troisièmement, le calcul du rayonnement pulsé émanant du vent a été prédit aux très hautes énergies (Mochol et Pétri, MNRAS Letter, 2015). Nous avons démontré la possibilité de détecter le pulsar du Crabe au TeV. Une analyse quantitative approfondie de la puissance totale rayonnée par l'étoile à neutrons 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 prédite par les modèles du vide (Pétri, MNRAS, 2016, 455, 3779). 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 (Pétri, MNRAS, 2015, 450, 714). Un champ multipolaire possède de nombreuses implications dans la formation des spectres et des courbes de lumière et est donc vérifiable par une analyse minutieuse des observations.
Perspectives : Au niveau de la reconnexion en lien avec le rayonnement, nous entamons l'étude de l'accélération de particules tests afin d'en déduire leur fonction de distribution non thermique des leptons.
Sur l'électrodynamique, à plus long terme, nous inclurons les équations de l'hydrodynamique dans notre description 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.
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.
Publications 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 11 articles dans des journaux de rang A, et deux autres sont en cours d'évaluation. Nous avons présenté 18 exposés oraux dont quelques uns invités ainsi que 11 posters.
Nos connaissances sont aussi diffusées vers le grand public par l'intermédiaire d'articles de vulgarisation dans des magazines d'actualités scientifiques.