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Cosmologie gamma : Mesures du champ magnétique intergalactique avec les sursauts gamma et CTA
Gamma cosmology: Measures of the intergalactic magnetic field using gamma-ray bursts and CTA

Spécialité

Astrophysique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

01/04/2023

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

Belmont Renaud
+33169089808

Résumé/Summary
Ce stage propose de contraindre le champ magnétique intergalactique par la modélisation de la propagation des rayons gamma issus de sursauts (GRB) et l'analyse des futures observations CTA.
This internship proposes to constrain the intergalactic magnetic field by modelling the propagation of gamma rays produced by gamma-ray bursts (GRBs), and analysing future CTA observations.
Sujet détaillé/Full description
Depuis une vingtaine d’années, l’avènement des télescopes Tcherenkov a permis le développement de l’astronomie gamma à très haute énergie (>20GeV), avec des retombées dans beaucoup de domaines de l’astrophysique, et en particulier en cosmologie. La cosmologie gamma repose sur l’absorption, par la lumière infra-rouge des galaxies, des rayons gamma émis par des sources lointaines de l’Univers. Cette absorption est en effet directement liée à l’histoire de la formation stellaire et au modèle cosmologique qui conditionne l’apparition des grandes structures de l’Univers.
L’absorption des rayons gamma par les photons infrarouge produit des électrons et des positrons qui interagissent sur le fond diffus cosmologique et produisent à leur tour des rayons gamma. Ces rayons gamma secondaires peuvent eux-mêmes être absorbés, produisant en cascade de nouvelles paires électron-positron. Ces cascades électromagnétiques se développent dans le milieu intergalactique et possèdent différentes signatures qui sont recherchées dans les données : d’une part, les rayons gamma secondaires, d’énergie plus faible, créent un excès sur la partie à basse énergie du spectre ; d’autre part, le champ magnétique intergalactique (Intergalactic Magnetic Field, IGMF) dévie les particules chargées, produisant un halo diffus autour de la source et un retard dans le temps d’arrivée des rayons gamma secondaires. La recherche de ces signatures dans les observations gamma permet d’étudier ce champ magnétique dont l’origine remonte probablement aux premiers instants de l’Univers. Cette méthode permet d’accéder à des très faibles intensités et à des propriétés à grande échelle, inaccessibles aux mesures traditionnelles de champ magnétique.

Le travail de stage s’intéressera à l’étude des cascades issues des sursauts gamma (GRB) et aux contraintes qu’elles peuvent apporter sur l’IGMF en particulier avec l’observatoire CTA en cours de construction. CTA comportera à terme 19 télescopes sur le site Nord (La Palma, îles Canaries), et 99 sur le site Sud (désert d’Atacama au Chili). Le premier grand télescope de 23 m a commencé sa prise de données laissant espérer plusieurs détections dans les années qui viennent.

L’IGMF a déjà été étudié avec une population de noyaux actifs de galaxie (AGN) qui a permis d’établir des limites inférieures sur l’intensité moyenne du champ (B>10^(-16) G). Les sursauts gamma, très brefs par nature, permettront une approche basée sur les retards temporels, très différente de celle utilisée pour les AGN et donc des contraintes indépendantes et complémentaires sur l’IGMF.

Le travail de ce stage consistera à utiliser des simulations numériques de cascades issues des GRB et à étudier leurs signatures observationnelles. Plus précisément, les cascades simulées seront couplées à la chaine d'analyse développée dans le groupe pour CTA, permettant ainsi de définir ses capacités à contraindre l'IGMF.
L’étudiant(e) sera intégré(e) à l’équipe LEPCHE du Département d’Astrophysique du CEA Paris-Saclay. Cette équipe est très impliquée à la fois dans les observations de GRB, ainsi que dans la préparation de futur grand télescope Tcherenkov CTA. Les chercheurs de l’équipe sont en particulier chargés de préparer les futures observations de GRB avec CTA.
In the past 20 years, the advent of Cherenkov telescopes has allowed for the rapid growth of very high energy gamma-ray astronomy, and had provided impacts in many fields of astrophysics including cosmology. Gamma-ray cosmology is based on the absorption of very high energy photons (>100 GeV) from extragalactic sources by infrared photons emitted by stars in galaxies. Such absorption is linked to the history of star formation and to the cosmological model implied in the formation of large-scale structures in the Universe.
The absorption of gamma rays by infrared photons also produces pairs of electrons and positrons that interact with photons from the cosmological microwave background (CMB) and produce more gamma rays. These secondary high energy photons can also be absorbed, generating a cascade of pairs and photons. These electromagnetic cascades develop in the intergalactic medium and provide specific observational signatures that are searched in gamma-ray data. On the one hand, the secondary photons are responsible for an excess emission at lower emission. On the second hand, the intergalactic magnetic field (IGMF) deflects the charged particles, producing an extended halo around point sources and a time delay in the arrival of secondary gamma rays. This large-scale magnetic field is expected to originate from the very first epoch of the cosmic history. The search for these signatures in gamma-ray observations hence allows to probe this relic field at very low intensities, where traditional methods fail.

The work will focus on cascades induced by gamma-ray bursts (GRBs) and on the constrains they can provide on the IGMF. In particular, it will be done in preparation of the future CTA observatory. This array of Cherenkov telescopes will have 19 telescopes in its north site (La Palma, Canary islands) and 99 in its south site (Chili). The first 23m telescope is already operational, promising several GRB detections in the next years.
The IGMF has already be studied using active galactic nuclei (AGN), which has provided lower limits on its intensity (B>10^(-16)G). The very short duration of GRBs will allow for a very different approach, based on time delays, hence for independent and complementary constrains.
The work will consist in using numerical simulations of gamma-ray induced cascades, using a Monte Carlo simulation code and studying their observational signatures. Namely the simulated cascades will be coupled to the CTA data analysis chain developed in the group in order to predict constrains on the IGMF.

The student will work in the LEPCHE team of the Astrophysics Department at CEA Paris-Saclay. The team is strongly involved in GRB observations and in the preparation of CTA in general. More specifically, its researchers are charged with the preparation for GRB observations with CTA.
Mots clés/Keywords
rayons gamma, astroparticules, cosmologie
gamma-rays, astroparticles, cosmology
Compétences/Skills
Modélisation avec des simulations numériques Monte Carlo Analyse de données
Modelling with Monte Carlo numerical simulations, Data analysis
Logiciels
python
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Estimation des excès de carbone-14 induits par des supernovæ galactiques
Estimation of carbon-14 excesses from galactic supernovae

Spécialité

Astrophysique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

26/07/2023

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

STOLARCZYK Thierry
+33 1 69 08 78 12

Résumé/Summary
Le stage se déroule dans le contexte du projet CHASCA dont le but est de rechercher des excès de 14C issus de supernovæ répertoriées dans les écrits historiques à partir de cernes échantillonnés dans des cyprès de Patagonie. Le travail consiste à établir l’ordre de grandeur du signal attendu à partir de simulations numériques.
The internship takes place in the context of the CHASCA project, the aim of which is to search for an excess of 14C from supernovae listed in historical writings from tree rings sampled in Patagonian cypresses. The work consists in establishing the order of magnitude of the expected signal from numerical simulations
Sujet détaillé/Full description
Les atomes de 14C radioactifs (demi-vie de 5730 ans) sont produits de façon continue à l’interface troposphère-stratosphère lors l’interaction des particules du rayonnement cosmique. Ils sont absorbés sous forme de CO2 par les océans ou par la végétation lors de la photosynthèse.
La teneur en 14C dans l’atmosphère varie avec l’activité solaire qui influe sur le bouclier géomagnétique, et avec les fluctuations climatiques qui modifient les échanges entre les réservoirs carbonés de la Terre. En plus de ces fluctuations, des événements solaires violents (SPE, Solar particle Event) émettant des protons à haute énergie, peuvent produire des excès significatifs dont certains sont repérés depuis une dizaine d’années dans les cernes annuels des arbres, grâce à l’améliorations des techniques de mesure du 14C.
Certains excès pourraient également être attribués à l’explosion d’étoiles proches en fin de vie, des supernovæ galactiques. Leur identification et leur caractérisation donne la possibilité de contraindre le flux de rayons gamma de haute énergie (> MeV) émis lors de ces événements, un phénomène jamais observé jusqu’à aujourd’hui.

Le stage se déroule dans le contexte du projet CHASCA dont le but est de rechercher la trace de supernovæ répertoriées dans les écrits historiques à partir de cernes échantillonnés dans des cyprès de Patagonie. Le travail consiste à établir l’ordre de grandeur du signal attendu à partir de :
- flux de rayons gamma de Supernovæ publiés sous la forme de modèles analytiques;
- la simulation de la production par le rayonnement cosmique de neutrons de spallations dans l’atmosphère qui, capturés par le 14N, produisent le 14C ;
- la modélisation de l’absorption du CO2 en utilisant des modèles simplifiés d’échange atmosphérique (carbon-box model).
Radioactive 14C atoms (half-life 5730 years) are continuously produced at the troposphere-stratosphere interface during the interaction of cosmic ray particles. They are absorbed in the form of CO2 by the oceans or by vegetation during photosynthesis.
The 14C content in the atmosphere varies with solar activity that influences the geomagnetic shield, and with climatic fluctuations that modify the exchanges between the carbon reservoirs of the Earth. In addition to these fluctuations, violent solar events (SPE, Solar particle Event) emitting high-energy protons can produce significant excesses, some of which have been detected since ten years in the annual rings of trees, thanks to the improvements in 14C measurement techniques.
Some excesses could also be attributed to the explosion of nearby stars at the end of their life, galactic supernovae. Their identification and characterization gives the possibility of constraining the flux of high-energy gamma rays (> MeV) emitted during these events, a phenomenon never observed until today.

The internship takes place in the context of the CHASCA project, the aim of which is to search for traces of supernovae listed in historical writings from tree rings sampled in Patagonian cypresses. The work consists in establishing the order of magnitude of the expected signal from:
- Supernovae gamma-ray fluxes published as analytical models;
- Simulation of the production by cosmic radiation of spallation neutrons in the atmosphere which, captured by 14N, produce 14C;
- modeling of CO2 absorption using simplified models of atmospheric exchange (carbon-box model).
Mots clés/Keywords
Carbone-14, Supernova, activités solaires, atmosphère
Radiocarbon, Supernova, solar activity, atmosphere
Compétences/Skills
Analyse numérique - Simulation numérique
Numerical Analysis - Numerical simulation
Logiciels
Python

 

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