Scénario envisagé

Comme évoqué au chapitre6, les PTA, n’étant pas absorbées sur le FLE, modi- fient l’opacité de l’univers aux photons de THE lors de la propagation dans le milieu intergalactique. Différents scénarios sont alors envisageables. Il est possible que des oscillations entre photons et PTA aient lieu dans le milieu intergalactique grâce au champ magnétique intergalactique (CMIG). Ce scénario requiert une valeur forte de 1 nG pour le champ magnétique intergalactique, qui est relativement peu plausible. Le scénario envisagé dans cette étude est celui décrit dans [103] où une partie du flux de photons est convertie en PTA dans les champs magnétiques de la source puis reconvertie dans le champ magnétique de la Voie Lactée. Ce scénario a l’avantage de ne pas faire intervenir le CMIG, qui demeure l’objet de nombreuses inconnues tant sur sa valeur que sur les caractéristiques de sa turbulence (voir chapitre 7). Un schéma de principe de ce scénario est montré sur la figure 10.7.

a

TeV

Figure10.7 – Schéma de principe du scénario envisagé dans l’étude de l’anisotropie. Des PTA sont produites par conversion dans le champ magnétique de la source, puis reconverties en photons dans le champ magnétique de la Voie Lactée.

La grande majorité des sources détectées à THE sont des blazars. Ces sources sont également de puissants émetteurs de rayonnement synchrotron en radio et rayons X qui traduisent la présence de champs magnétiques. Dans la suite, on sup- pose que la conversion entre photons et PTA a lieu dans le régime de asymptotique au dessus du seuil en énergie de couplage et qu’elle s’effectue de façon efficace, c’est à dire que le nombre caractéristique défini à l’équation 7.2 est supérieur à 1. Dans ce régime, la probabilité de survie d’un photon est en moyenne de 2/3 pour un faisceau de photons non-polarisé, et ce indépendamment de la valeur précise de . Cette moyenne est effectuée sur l’ensemble des réalisations aléatoires du champ magnétique turbulent, mais pour une source individuelle la valeur de la probabi- lité de survie varie entre 0.5 et 1. Comme il a été montré dans [264], la condition de mélange efficace est similaire au critère de Hillas pour l’accélération des rayons cosmiques de ultra-haute énergies, ce qui signifie que les meilleurs candidats pour l’accélération de ces rayons cosmiques sont également les meilleures cibles pour la recherche de PTA.

Trois régions différentes dans la source sont susceptibles d’avoir des champs magnétiques. Premièrement, des champs magnétiques sont présents près du trou noir central et dans les jets des NAG où l’émission à THE est supposée avoir lieu.

10.3. Test d’anisotropies de l’effet de transparence 153 Ces champs magnétiques peuvent être sondés avec des observations radio multi- fréquences [362, 363] et ont une valeur de l’ordre de quelques dizaines de mG sur des échelles spatiales d’environ 10 pc [167,168]. La conversion entre photons et PTA dans ce domaine a été étudiée en détail dans [65], qui ont montré qu’une conversion efficace peut avoir lieu dans ce domaine jusqu’à des énergies de l’ordre du TeV. Pour des énergies supérieures, la conversion est rendue impossible par des effets de biréfringence induits par les forts champs magnétiques (terme de Cotton-Mouton, voir chapitre1). Un second domaine magnétique est offert par les lobes radio situés aux extrémités des jets avec des valeurs typiques de quelques µG sur des échelles de quelques kpc [364]. Enfin, le cas des champs magnétiques dans les amas a été traité dans la section 10.2.2; la conversion y est en général efficace pour des couplages g a> 10 11GeV 1.

Les blazars ont leurs jets orientés proches de la ligne de visée, de telle façon que les photons produits dans ces sources vont traverser les trois domaines magnétiques identifiés au paragraphe précédent. Dans chaque domaine, la condition de mélange efficace est vérifiée et globalement, si un domaine n’est pas traversé, par exemple si la source ne se trouve pas dans un amas de galaxie, la condition de mélange efficace est toujours valable. En raison de la nature turbulente des champs magnétiques, la composition du faisceau à la sortie de la source est donc en moyenne de 2/3 de photons et de 1/3 de PTA. La variance de la distribution représentant la proportion en photons a été analytiquement calculée dans [67] et dans le cas d’un mélange efficace, l’écart type de cette distribution est de 1/3p5. Pour modéliser correctement la composition du faisceau à la sortie de la source, la proportion de PTA et photons est obtenue avec une simulation d’un champ magnétique aléatoire de valeur 1 µG sur une longueur de 500 kpc avec une échelle de turbulence de 10 kpc, représentant ainsi la distribution de la probabilité de survie d’un photon dans le cas d’un mélange efficace.

La propagation du faisceau dans le milieu intergalactique est calculée en utilisant le modèle de FLE de [185]. Ce modèle étant un modèle minimal pour le FLE, la visibilité de l’effet de transparence induit par les PTA est minimal avec ce modèle. Le choix de ce modèle est donc conservatif pour l’étude estimant la sensibilité de CTA au test d’anisotropie. La valeur du CMIG étant inconnue, il n’est pas pris en compte dans la suite. L’influence d’une éventuelle valeur forte de ce champ sera discutée dans la section10.3.4.

154 Chapitre 10. Prospectives pour la recherche de PTA avec CTA

P_a→γ#

Jansson & Farrar (2012)!

P_a→γ#

P_a→γ#

Sun et al. (2008)!

P_a→γ#

Harrari et al. (1999)!

Figure 10.8 – (Extrait de [275]) Cartes de la probabilité de conversion de PTA en photons dans le CMG pour trois modèles différents, pour g a= 5 ⇥ 10 11 GeV 1.

A supposer qu’il existe un mélange entre photons et PTA, lorsque le faisceau entre dans la Voie Lactée, il est majoritairement constitué de PTA pour des éner- gies correspondant à de grandes profondeurs optiques car les photons ont été absor- bés sur le FLE. Lors de la propagation dans le CMG, les PTA sont partiellement converties en photons avant d’atteindre l’observateur sur Terre. L’ordre de grandeur typique de ce champ magnétique étant de quelques µG sur environ 10 kpc, une fraction significative des PTA peut être reconvertie pour des constantes de couplage g a⇠ 5 ⇥ 10 11GeV 1. Seule la composante régulière du champ magnétique contri-

10.3. Test d’anisotropies de l’effet de transparence 155 bue à cette conversion [104]. La composante turbulente, dont l’échelle de cohérence est de l’ordre de 100 pc [303, 276], peut être ignorée car la conversion ne s’effec- tue pas efficacement en raison du grand nombre de domaines [365]. L’efficacité de la reconversion dépend alors de l’intégrale sur la ligne de visée de la composante régulière du champ magnétique Galactique, qui dépend donc de la direction sur le ciel. Trois modèles de la composante régulière du CMG sont utilisés dans la suite. Le modèle de [366] est fondé sur des mesures de rotation Faraday (voir chapitre7) de pulsars et de sources extragalactiques alors que les modèles [367,276] prennent également en compte l’émission diffuse synchrotron polarisée de plasmas d’électrons relativistes. Dans chaque direction du ciel, la probabilité de conversion de PTA en photons est calculée le long de la ligne de visée en résolvant l’équation du mouve- ment 1.12. Une carte du ciel pour cette probabilité est montrée sur la figure 10.8

pour les trois modèles de CMG considérés. Dans les régions où cette probabilité est la plus forte, le processus de transparence induit par les PTA sera plus efficace et l’anomalie de transparence sera maximale.

Dans le scénario envisagé ici, les structures du CMG sont corrélés avec la mesure de l’anomalie dans les spectres de sources extragalactiques à THE. Si ces structures étaient connues avec une grande précision, il serait possible de calculer la corrélation entre la mesure de l’anomalie et le champ magnétique transverse intégré le long de la même ligne de visée. Cependant, comme il apparaît sur la figure10.8, les structures du CMG pour les trois modèles considérés sont très différentes. De façon générale, il n’y a pas de consensus sur la nature morphologique de ces composantes. Une caractéristique commune est néanmoins que l’intégrale sur la ligne de visée du champ magnétique apparaît cohérente sur des échelles angulaires de l’ordre du degré. Dans l’hypothèse PTA, la mesure de l’anomalie entre deux directions proches devrait être alors corrélée, quel que soit le modèle utilisé pour le CMG. Réciproquement, deux directions lointaines devraient apparaître légèrement anti-corrélées. Une signature de l’anomalie indépendante du modèle de CMG est donc donnée par l’autocorrélation angulaire des anomalies de transparence mesurées sur différentes sources.