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Généralités sur la Voie Lactée
Ordres de grandeur La Voie Lactée est une galaxie du type spirale barrée (SBb). Elle contient plusieurs centaines de milliards d’étoiles, du gaz, de la poussière rassemblés dans un système auto-gravitant d’un diamètre de l’ordre de 100 000 années lumière (al) soit 30 000 parsecs (pc). Le disque d’environ 300 pc d’épaisseur contient environ 70 % de la masse visible constituée d’environ 90 % d’étoiles d’une grande variété de masses et d’âges et 10 % de gaz. Sa matière est répartie de façon non uniforme dans une structure où les bras spiraux regroupent la majorité des étoiles et du gaz, sa densité de matière présente de plus une forte décroissance centre-bord. Le bulbe central est une excroissance du disque d’un rayon de 3 à 4 kpc entourant le noyau Galactique, c’est une région mal connue qui se caractérise par une densité d’étoiles élevée associée à une faible densité de gaz. Sa population stellaire est largement dominée par des étoiles de population II (vieilles étoiles) à l’exception des régions les plus centrales où la formation stellaire reste active. Le halo est la composante sphéroïdale s’étendant au delà du disque, sa densité de matière visible est extrêmement faible, sa masse visible se retrouve principalement dans les amas globulaires. Ces objets peuvent contenir plusieurs centaines de milliers d’étoiles de population II distribuées dans des structures sphériques gravitationnellement liées pouvant atteindre plusieurs centaines d’années lumière de diamètre. C’est aussi dans le halo que la théorie prévoit la présence d’une grande quantité de matière noire.
Le milieu interstellaire Lorsque l’on parle de milieu interstellaire (MIS), on entend généralement la matière galactique présente à l’extérieur des systèmes stellaires. Cela englobe le gaz (moléculaire, atomique ou ionisé), la poussière et les rayons cosmiques. Il existe néanmoins un autre constituant, souvent oublié car non matériel, mais que je considèrerai ici comme faisant partie du MIS : il s’agit évidemment du champ magnétique. Le gaz interstellaire représente environ 99 % de la masse visible du MIS. Il peut se présenter sous différentes phases en fonction de son état, sa température, sa densité (table 1.1). La poussière interstellaire ne représente que environ 1 % de la masse visible du MIS mais son importance est capitale pour le cycle de la matière. Elle peut se présenter sous la forme de grains de différentes tailles à base de carbone ou de silicate. La poussière est surtout présente dans le disque Galactique et est responsable d’une forte extinction de la lumière visible. Sa détection et son étude peuvent se faire au travers de son émission dans l’infrarouge lointain et le submillimétrique, de son absorption, de la diffusion et de la polarisation qu’elle induit. Les rayons cosmiques se présentent sous la forme de particules chargées 1 (principalement protons, noyaux d’Hélium, électrons) se déplaçant à des vitesses relativistes. Ils sont créés (accélérés) dans des environnements astrophysiques extrêmes (supernovas, voisinage d’objets compacts, sursaut gamma, AGN…). L’origine des rayons cosmiques est probablement Galactique lorsque leur énergie est inférieure à 1015 eV et extra-Galactique lorsque leur énergie est supérieure à 1018 eV. La particule (probablement un proton) la plus énergétique jamais détectée (∼ 3 1020 eV ou 50 J) avait une énergie de l’ordre de celle d’une balle de tennis lancée à 150 km h−1 pour un rapport de masse de plus de 102. Le champ magnétique interstellaire bien qu’immatériel, il interagit (directement ou indirectement) avec l’ensemble des autres constituants, c’est pourquoi il ne doit à mon avis pas être oublié dans la liste des composants du MIS. Le champ magnétique étant l’objet central de mon étude, je ne donnerai pas plus de détails ici car la suite de ce chapitre est consacrée à son introduction.
Définition des référentiels
Référentiel Héliocentrique cartésien (RHC) : (S, X, Y, Z) C’est le référentiel cartésien centré sur le Soleil (S) dont l’axe (SX) est dirigé vers le centre Galactique (G), l’axe (SY ) est dans le plan Galactique, dirigé parallèlement à ` = 90◦ et (SZ) est dirigé verticalement, vers le nord Galactique de manière à former un trièdre direct. Ce repère, schématisé en vert sur la figure 3.1, n’a qu’un rôle d’intermédiaire dans les calculs. Référentiel Héliocentrique sphérique (RHS) : (S, s, `, b) C’est le référentiel sphérique centré sur le Soleil (S) et dont le plan de référence est le plan Galactique. Un point M est repéré par sa distance au Soleil s, sa longitude Galactique ` (angle dans le plan Galactique entre la direction du centre Galactique et la direction du projeté H du point M), sa latitude Galactique b (élévation du point M par rapport au plan Galactique). C’est dans ce repère, schématisé en bleu sur la figure 3.1 que sont définies les directions des lignes de visée ainsi que celles des sources extragalactiques. Ce référentiel est parfois appelé «référentiel Galactique» mais je n’utiliserai pas cette dénomination afin d’éviter toute confusion avec les repères Galactocentriques présentés ci-dessous. Référentiel Galactocentrique de Lazio et Cordes (RGLC) : (G, xLC, yLC, z) C’est le référentiel cartésien centré sur le centre Galactique (G) dont l’axe (GxLC) est dirigé parallèlement à ` = 90◦ , l’axe (GyLC) est dirigé vers le Soleil (S) et l’axe (Gz) est perpendiculaire au plan Galactique, dirigé vers le nord de manière à former un trièdre direct (dans ce système de coordonnées le Soleil est au point (0, R, 0)). C’est dans ce repère, schématisé en jaune sur la figure 3.1 que le programme basé sur le modèle Ne2001 évalue la densité électronique en tout point de la Galaxie. Référentiel Galactocentrique cartésien (RGCa) : (G, x, y, z) C’est le référentiel cartésien centré sur le centre Galactique (G) mais ici, c’est l’axe (Gx) qui est dirigé vers le Soleil, et l’axe (Gy) qui est dirigé parallèlement à ` = 90◦ de sorte que le repère (Gxyz) soit indirect. Ce repère, schématisé en rouge sur la figure 3.1 a pour intérêt d’être orienté dans le même sens que celui de la rotation de la Galaxie. Référentiel Galactocentrique cylindrique (RGCY) : (G, r, ϕ, z) C’est le référentiel cylindrique centré sur le centre Galactique G, basé sur le repère (RGCa), dans lequel un point M est repéré par la distance r entre le centre Galactique et le projeté H du point M, l’angle ϕ entre la direction (Gx) et (GH) et enfin l’altitude 66 11 décembre 2016 Philippe Terral z de M. C’est dans ce repère, schématisé en magenta sur la figure 3.1 que sont définis nos modèles analytiques de champ magnétique. Son orientation indirecte permet d’adopter des notations cohérentes avec les paramètres astrophysiques.
Conclusion
Le champ magnétique interstellaire est un constituant important du milieu interstellaire. Son omniprésence dans la Galaxie lui confère un rôle majeur dans de nombreux processus physiques et fait de son étude et de sa compréhension un enjeu majeur de l’astrophysique moderne. Il reste néanmoins difficile à étudier, en grande partie en raison des difficultés de détection et de mesure à distance. Nous disposons toutefois de nombreuses informations importantes permettant de contraindre sa structure et son organisation. Des mesures réalisées dans notre Galaxie ont révélé que le champ magnétique interstellaire était dirigé horizontalement dans le disque Galactique alors qu’il possédait une composante verticale non négligeable dans le halo. On a aussi mis en évidence deux composantes du champ magnétique interstellaire : l’une turbulente, caractérisée par des fluctuations sur de petites échelles (. 100 pc) ; l’autre, celle que nous avons modélisée dans cette étude, régulière, caractérisée par une évolution sur de grandes échelles (& 1 kpc). D’autres mesures, réalisées sur des galaxies extérieures semblables à la nôtre, ont fait apparaître des caractéristiques communes quant à la structure des lignes de champ, dont la fameuse structure en X. L’ensemble de ces considérations a été pris en compte lors de cette étude.
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Table des matières
1 Introduction
1.1 Généralités sur la Voie Lactée
1.1.1 Ordres de grandeur
1.1.2 Le milieu interstellaire
1.2 Une rapide histoire du magnétisme
1.2.1 Les grands noms du magnétisme
1.2.2 Le champ magnétique interstellaire
1.3 Ordres de grandeur
1.4 Impact du champ magnétique interstellaire
1.5 Origine du champ magnétique interstellaire
1.6 Détection et mesure du champ magnétique interstellaire
1.6.1 Mesures in situ
1.6.2 Polarisation par la poussière interstellaire
1.6.3 Effet Zeeman
1.6.4 Emission synchrotron
1.6.5 Rotation Faraday
1.7 Quelques résultats observationnels
1.8 Objectif de l’étude
2 Modélisation du champ magnétique interstellaire
2.1 Distribution des électrons libres dans la Galaxie (Ne2001)
2.2 Données observationnelles
2.2.1 Carte de référence
2.2.2 Composantes symétrique et antisymétrique
2.3 Contraintes sur les modèles de champ magnétique
2.4 Modèles analytiques de champ magnétique pour le halo Galactique
2.4.1 Modèles poloïdaux de champ magnétique en «X»
2.4.2 Variation azimutale
2.4.3 Fonction d’enroulement et champ azimutal
2.4.4 Modèles totaux de champ magnétique pour le halo Galactique
2.5 Modèles analytiques de champ magnétique pour le disque Galactique
2.6 Cas particulier des modèles A et Ad
2.7 Première vérification
2.8 Conclusion
3 Simulation et optimisation
3.1 Systèmes de coordonnées
3.1.1 Définition des référentiels
3.1.2 Changements de référentiels
3.2 Construction de cartes théoriques
3.3 Comparaison des cartes théoriques et observationnelle
3.3.1 Remarque préliminaire
3.3.2 Principe de la méthode
3.3.3 Incertitude associée à la carte de référence
3.3.4 Champ magnétique turbulent et incertitude associée
3.4 Optimisation
3.4.1 Exploration systématique
3.4.2 Algorithmes génétiques
3.4.3 Méthodes MCMC
3.5 Conclusion
4 Résultats
4.1 Remarques préliminaires
4.1.1 Notations
4.1.2 Considérations intuitives
4.2 Impact des divers paramètres sur FDmod
4.2.1 Cas axisymétrique (m = 0)
4.2.2 Cas bisymétrique (m = 1)
4.3 Résultats de l’optimisation
4.3.1 Constatations générales
4.3.2 Best-fits
4.3.3 Intervalles de confiance
4.3.4 Corrélations
4.4 Meilleurs modèles
4.4.1 Cartes du ciel de la profondeur Faraday Galactique
4.4.2 Cartes de polarisation synchrotron
4.4.3 Allure des lignes de champ
4.5 Conclusion
5 Conclusion
5.1 Résumé de l’étude
5.1.1 Déroulement de l’étude
5.1.2 Principaux résultats
5.2 Perspectives
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