Vers une interprétation du rayonnement gamma des vestiges de supernova au moyen d'observations multi-longueurs d'onde // Towards an interpretation of the gamma ray emission in supernova remnants based on multi-wavelength observations

L'explosion d'une supernova (SN) marque le début d'une incroyable séquence d'injection d'énergie dans le milieu interstellaire (MIS). L'explosion éjecte entre ~1.4 et ~20 M⊙ de matière stellaire, les ejecta, et disperse une énergie de 1e50-1e52 erg [1], générant des ondes de chocs de ~1e4 km/s dans le MIS. Les jeunes SNe jouent un rôle crucial et protéiforme dans l'évolution des galaxies. La dispersion de matière est la principale source d'éléments lourds dans la phase gazeuse [2]. Les chocs injectent de l'énergie cinétique progressivement convertie en turbulence, qui régule la formation des étoiles (FS) aux échelles galactiques [3]. Les chocs rapides accélèrent des rayons cosmiques (RCs) jusqu'aux énergies ~1 TeV [4,5,6,7]. Les conditions de température (1e6-1e8 K) et densité (1-10 cm−3) des ejecta favorisent la production de poussières jusqu'à des centaines d'années après l'explosion [8,9,10]. Après les phases d'expansion (libre, puis adiabatique), la température du choc diminue à 1e6 K, et le gaz commence à se refroidir par rayonnement. Le “vestige de supernova” (SNR), typiquement âgé de quelques milliers d'années, présente alors une structure sphérique de 10 à 20 pc de rayon, délimitée par des régions d'interactions entre chocs et MIS ambiant.
Ces SNR évolués jouent également un rôle fondamental sur l'évolution galactique. Les chocs rémanents (quelques 10 à quelques 100 de km/s) chauffent, accélèrent, compriment, et peuvent dissocier et ioniser le MIS ambiant, et générer des photons FUV [11,12,13]. Ils injectent de l'énergie et déclenchent des processus chimiques (lpoussière et phase gazeuse) [14,15], contribuant ainsi au cycle de la matière dans le MIS. Les RCs accélérés dans les phases précoces et piégés dans les fronts de choc et les RCs Galactiques réaccélérés [16] interagissent avec le MIS, produisant des photons X et γ [17,18,19]. Finalement, les SNRs âgés jouent un rôle clé dans la formation stellaire (FS) locale, associée aux compagnons de moindre masse de l'amas du progéniteur de l'explosion [20], déclenchée par ses vents stellaires [21], ou favorisée par la compression et le refroidissement causés par les chocs du SNR [22]. Globalement, RCs, photons, et chocs générés par le SNR altèrent probablement les caractéristiques de la FS sur de grandes échelles de temps et d'espace.
Nous proposons une triple étude du SNR IC443. Nous voulons d'abord caractériser les mécanismes, et quantifier leurs impacts énergétiques et chimiques sur le MIS de la redistribution d'énergie (chocs, photons, RCs) à l'oeuvre dans ce SNR évolué. Nous utiliserons des observations de l'IR au mm du gaz (moléculaire, neutre, ionisé) et de la poussière pour mesurer les conditions physico-chimiques, en particulier la masse et la densité de tous les nuages de gaz, les champs magnétiques et de rayonnement. Ensuite, nous étudierons les impacts du SNR sur la FS locale. Pour cela, nous utiliserons des données haute résolution (NOEMA, VLA, et relevés IR) pour caractériser les étoiles naissantes et détecter régions HII et jets/flots protostellaires associés. Cette étude de la FS dans un environnement extrême est d'autant plus importante qu'elle constitue une analogie pour mieux comprendre la FS dans les galaxies lointaines jusqu'à z~2 [23].
Enfin, nous fournirons une interprétation précise des spectres γ observés (Fermi et VERITAS) [27], pour mieux quantifier la contribution des SNRs aux spectres de RCs. Les photons γ proviennent en effet des interactions entre RCs et MIS. La 1e partie de notre étude nous permettra de mesurer les propriétés du MIS. Le 2e volet nous permettra d'estimer la production de RCs frais, originaires des régions HII [24] et des jets/flots protostellaires [25,26] locaux. Nous fournirons ainsi la première interprétation des spectres γ des SNRs reposant sur une étude multi-longueur d'ondes. Cette approche sera généralisée sur un échantillon statistique de SNRs afin de mieux comprendre comment ces objets façonnent le MIS des galaxies.
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The explosion of a supernova (SN) is the beginning of an incredible sequence of energy injection in the interstellar medium (ISM). A SN explosion ejects from ~1.4 to ~20 M⊙ of material, an energy of 1e50-1e52 erg [1], driving shock waves about 1e4 km/s ahead of the ejecta through the ISM. At early stages, SNe play a crucial, multifaceted role in the evolution of galaxies. The dispersion of matter is the most important source of heavy elements in the gas phase [2]. The fast shocks inject kinetic energy that gradually decays in turbulence, that regulates star formation on galactic scales [3]. Fast shocks are also a site of production for the bulk of cosmic rays (CRs), up to TeV energies [4,5,6,7]. Finally, the hot (1e6-1e8 K) and dense (1-10 cm−3) ejecta could allow dust synthesis up to hundreds of years after the explosion [8,9,10]. After the first phases of expansion (free, then adiabatic), the temperature of the shock front drops to 1e6 K, allowing the gas to radiatively cool down. At this stage, the so-called supernova remnant (SNR) typically aged a few thousands of years resembles a spherical shell of 10-20 pc radius, delimitated by regions in which shocks interact with the ambient ISM.
This evolved SNR stage is also of fundamental importance to galactic evolution. The remaining shocks (a few 10s to 100s of km/s) heat, accelerate, compress and can dissociate and ionise the ambient medium, and generate FUV photons [11,12,13]. They inject energy and trigger specific chemical processes (dust, gas-phase)[14,15], participating in the cycle of matter in galaxies. CRs accelerated in the earlier stages of the explosion and trapped in the shocks, and Galactic CRs reaccelerated in the shocks [16] interact with the dense medium, producing X- to γ-ray photons [17,18,19]. Finally, evolved SNRs play a key role in the local star formation (SF), that can be associated with lower-mass stars formed in the same cluster as the SNR progenitor [20], or with stars whose formation was triggered either by its stellar winds [21] or favored by the compression and cooling caused by the shocks [22]. Overall, the injection of energy by SNRs in all possible forms (shocks, photons, CRs) likely alters the characteristics of star formation over great scales and times.
We propose a 3-objective study of the IC443 SNR. First, we will characterise the mechanisms of energy injection (shocks, photons, CRs) at work in this evolved SNR, and quantify their energetic and chemical impacts on the ISM. We will use IR to mm observations of gas (molecular, neutral, ionized) and dust to measure physical and chemical parameters, in particular the mass and density of all gas clouds, the local magnetic and radiation fields. Second, we will study the impact of the SNR on the local star formation (SF). To this aim, we will use high angular resolution (NOEMA, VLA, IR surveys) data to characterise the forming stars and detect potential HII regions and protostellar jets and outflows. This study of SF in an extreme environment is all the more important that it will serve as a proxy to better understand SF in galaxies up to z~2 [23].
Finally, our ultimate goal is to provide an accurate interpretation of γ-ray spectra observed by Fermi, VERITAS [27] and soon CTA, in order to better quantify the SNR contribution to the production of CRs. In evolved SNRs, γ-ray photons are indeed generated by the interaction of CRs with the ISM . Our 1st objective will constrain the properties of the medium that is the target of these interactions. Our 2nd objective will allow to estimate the production of fresh CRs (in addition to the injection of CRs previously accelerated by the SNR) by HII regions [24] and protostellar jets and outflows [25,26]. Overall, we will provide the first data-driven interpretation of γ-ray spectra in an evolved SNR based on a multi-wavelength approach. This approach will be generalised on a statistical sample of SNRs to better understand how they shape the ISM of galaxies.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Concours d'accès aux contrats doctoraux

Ecole normale supérieure - PSL

127 Astronomie et Astrophysique d'Ile de France

Les qualités premières recherchées pour ce poste sont l'intérêt pour l'astrophysique de notre galaxie et la curiosité. Les compétences recherchées sont des compétences en termes de programmation (idéalement, python fortran 90). Les connaissances requises sont celles enseignées au niveau d'un M2 en Astrophysique. Une expérience en manipulation de données astrophysiques est souhaitable mais non indispensable.
The most sought after qualities for this position are an interest for our Galaxy's astrophysics, and curiosity. The skills that will be necessary are related to programming (ideally python and fortran 90). The required knowledge is that taught of an MSc level in Astrophysics. Experience in astrophysical data manipulation is welcome but not indispensable.