<p>     </p> <p>This article-based dissertation provides a review of the broad subject of Neutron Star- their emission properties, plasmoids ejection events, and their proposed physical mechanisms. The primary purpose of this dissertation is to provide an extensive description of the research projects I undertook during my tenure as a Graduate Research Assistant, under the guidance of my advisor Prof. Maxim Lyutikov. </p> <p><br></p> <p>Chapter 1 provides a broad overview of the Neutron stars, their classification, proposed emission models, and a summary of magnetars and associated observed phenomena. </p> <p><br></p> <p>In Chapter 2, I present a version of the research article published in the <em>Monthly Notices of the Royal Astronomical Society</em>. The work is titled "Rotating Neutron Stars Without Light Cylinders" and discusses twisted and differentially rotating neutron star magnetospheres that do not have a light cylinder, generate no wind, and thus do not spin down. The magnetosphere of such neutron stars is composed of embedded differentially rotating flux surfaces, with the angular velocity decreasing as Ω ∼ 1/r. It was found, both analytically and using numerical simulations, that for spin parameters larger than some critical value, the light cylinder appears, the magnetosphere opens up, and the wind is generated. </p> <p>In Chapter 3, I present a version of the research article published in <em>The Astrophysical Journal</em>. The work is titled "Relativistic Magnetic Explosions" and was undertaken under the supervision of Dr. Maxim Barkov, in collaboration with Dr. Konstantinos N. Gourgou- liatos and Dr. Lyutikov2 Barkov. It discusses the dynamics of magnetically driven explosive astrophysical events, like magnetar bursts and flares. We model a relativistic expansion of highly magnetized and highly magnetically over-pressurized clouds. We observe that the corresponding dynamics are qualitatively different from fluid explosions due to the topological constraint of the conservation of the magnetic flux. Using analytical, relativistic MHD as well as force-free calculations, we find that the creation of a relativistically expanding, causally disconnected flow obeys a threshold condition: it requires sufficiently high initial over-pressure and sufficiently quick decrease of the pressure in the external medium (the pre-explosion wind). In the subcritical case, the magnetic cloud just puffs up" and quietly expands with the pre-flare wind. We also find a compact analytical solution to the Prendergast problem - the expansion of force-free plasma into the vacuum. </p> <p><br></p> <p>Chapter 4 is the extension of the work in Chapter 3 and focuses on the dynamics of relativistic Coronal Mass Ejections (CMEs), from launching by shearing of foot-points (either slowly or suddenly), to propagation in the preceding magnetar wind. The work has been accepted to be published in <em>Monthly Notices of the Royal Astronomical Society</em>. For slow shear, we find that most of the energy injected into the CME is first spent on the work done on breaking through the over-laying magnetic field. At later stages, sufficiently powerful CMEs may lead to the detonation of a CME and opening of the magnetosphere beyond some equipartition radius req, where the decreasing energy of the CME becomes larger than the decreasing external magnetospheric energy. Post-CME magnetosphere relaxes via the formation of a plasmoid-mediated current sheet, initially at req, and slowly reaching the light cylinder. Both the location of the foot-point shear and the global magnetospheric configuration affect the frequent/weak versus rare/powerful CME dichotomy - to produce powerful flares the slow shear should be limited to field lines that close in near the star.  After the creation of a topologically disconnected flux tube, the tube quickly (at ∼ the light cylinder) comes into force-balance with the preceding wind and is passively advected/frozen in the wind afterward. </p> <p>For fast shear case, the shearing of foot-points leads to the generation of Alfvén wave and the pressure of such Alfvén leads to the opening of the magnetosphere. At distances much larger than the light cylinder, the resulting shear Alfvén waves propagate through the wind non-dissipatively. </p> <p><br></p> <p>In Chapter 5, I switch gears and study the optical polarization of Crab pulsar. I start by deriving a general relation for the polarization direction of the electric dipole-type radiation produced by a particle moving in an arbitrary electromagnetic field. The derived relations are then applied to reproduce optical polarization swings in Crab pulsar assuming a Michel- Bogovalov solution for the current sheet. With this, I was able to reproduce down to intricate details the spin-phase trajectory of the position angle (PA) in the Stokes parameters U-Q plane. This chapter however remains a work in progress. We still don't fully understand the physical mechanism behind the polarization characteristics of the Crab, especially the origin of the point where the inner loop connects with the bigger outer loop. I plan to fully answer these questions before sending our findings for publication. </p> <p><br></p> <p>Chapter 6 summarizes the main results and conclusions of the research projects and mentions the prospects. References are compiled after the appendices so that they are first cited, followed by a CV and a list of publications. </p>

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[pt] Conforme entramos na era de precisão da astronomia multimensageira, novas janelas se abrem para compreendermos melhor o Universo, desde a escala quântica até a escala cósmica. Em particular, o estudo de fenômenos astrofísicos de altas energias tem nos permitido acessar os ambientes mais extremos conhecidos pela humanidade, bem como obter avanços sem precedentes no domínio da física de partículas. Esta tese resume as descobertas importantes da astrofísica multi-mensageira ao longo dos anos, e, em seguida, foca a sua atenção em três tópicos relevantes que estão atualmente sendo investigados neste campo. Primeiramente, abordamos o problema da propagação de raios gama no espaço. Interações durante este processo levam à formação de cascatas eletromagnéticas que se desenvolvem ao longo de distâncias cosmológicas. Apresentaremos um código semi-analítico chamado “γ-Cascade”, que calcula os fluxos na Terra resultantes de tais cascatas. Também exploramos a possibilidade de se produzir neutrinos em cascatas ocorrendo a energias ultra-altas. Em segundo lugar, estabeleceremos uma relação multimensageira nova e original entre os fluxos medidos de neutrinos astrofísicos entre TeV–PeV e raios cósmicos ultra-energéticos. Para isso, utilizaremos nossas observações precisas de raios gama em energias abaixo de TeV, demonstrando o poder de uma análise multimensageira. Finalmente, estudaremos a evolução da composição de sabor de neutrinos produzidos em supernovas. Nosso novo método permite previsões genéricas sobre os possíveis sabores de neutrinos medidos na Terra. São levados em consideração os efeitos de matéria dentro dos ambientes densos de supernovas, enquanto permanecemos completamente agnósticos em relação ao resultado das conversões auto-induzidas de sabor em seus núcleos. / [en] As we enter the precision era of multi-messenger astronomy, new windows are opened for us to better understand the Universe, from quantum to cosmic scales. In particular, the study of high-energy astrophysical phenomena has allowed us to probe the most extreme environments known to mankind, as well as obtain unprecedented breakthroughs within the realm of particle physics. This thesis summarizes the important findings of multi-messenger astrophysics over the years, before focusing its attention to three relevant topics currently being investigated in the field. Firstly, we tackle the problem of γ-ray propagation in space. High center-of-momenta interactions during this process leads to the formation of electromagnetic cascades that develop over cosmological distances. We describe a semi-analytical code called “γ-Cascade, which calculates the fluxes at the Earth resulting from such cascades. We also explore the possibility of producing neutrinos in ultra-high-energy cascades. Secondly, we establish a new, original multi-messenger connection between the measured fluxes of TeV–PeV astrophysical neutrinos and ultra-high-energy cosmic rays. This is done by taking advantage of our precise γ-ray observations at sub-TeV energies, demonstrating the power of multi-messenger analyses. Finally, we study the evolution of the flavor composition of supernova neutrinos in a model-independent way. Our novel method allows for predictions of the neutrino flavor content measured at the Earth from supernovae, accounting for matter effects within its dense environment, while remaining completely agnostic about the outcome of self-induced flavor conversions in its core.

Les dix dernières années ont été marquées par l'arrivée à maturité de la technique d'imagerie Cherenkov atmosphérique, ce qui a permis, notamment grâce au réseau de télescopes HESS, l'ouverture d'une nouvelle fenêtre sur l'Univers non thermique. Ce mémoire d'habilitation retrace dix années de recherche en Astronomie Gamma de Très Haute énergie avec HESS puis CTA. Les aspects techniques tels que la conception de l'instrument, son calibrage, la reconstruction des événements et l'analyse de données sont présentées dans une première partie, tandis que la seconde brosse un panorama des grandes découvertes dans ce domaine.

Le télescope H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System), implanté en Namibie, est actuellement le plus efficace pour l'observation de sources de rayons gamma de très haute énergie. Constitué de 4 télescopes de grand diamètre fonctionnant en stéréoscopie, il permet une cartographie sans précédent du plan de la Galaxie à ces longueurs d'onde extrêmes. L'expérience HESS a mis en évidence la présence de particules chargées d'énergie supérieure à une centaine de TeV dans plusieurs vestiges de supernova, lieux probables d'accélération de particules dans la Galaxie, sans toutefois pouvoir conclure sur la nature hadronique ou leptonique des particules. Cette thèse présente une démarche observationnelle alternative visant à mettre en évidence l'accélération de hadrons par onde de choc dans les vestiges de supernova. Une recherche de vestiges associés à des nuages moléculaires a été menée avec les sources déjà détectées par H.E.S.S. et dans l'ensemble des observations réalisées. L'analyse et l'interprétation de trois sources de rayons gamma sont décrites. La première est la nouvelle source découverte par H.E.S.S. dans la constellation de Monoceros. Je présente ensuite l'analyse des nouvelles observations réalisées en direction de la source non identifiée HESS J1745-303. Enfin l'analyse multi-longueurs d'onde de la nouvelle source de rayons gamma coïncidente avec le vestige de supernova CTB37A est décrite. Je développe les possibles interprétations de cette émission de rayons gamma. Un apport à la construction de la seconde phase de l'expérience H.E.S.S. est présentée. Cette deuxième phase consiste en l'adjonction d'un cinquième télescope de 28 mètres de diamètre au centre du système existant. J'ai pris en charge les tests et la sélection des 6000 puces constituant le système d'échantillonnage de la caméra qui équipera ce télescope.

La première partie de cette thèse s'inscrit dans le cadre de la modélisation des ondes gravitationnelles en provenance des systèmes binaires coalescents de trous noirs, dans la perspective de leur détection par les antennes gravitationnelles terrestres LIGO/VIRGO et spatiale LISA. Nous étudions la dynamique relativiste de tels systèmes binaires d'objets compacts à l'aide de deux méthodes d'approximation en relativité générale : les développements post-newtoniens, et le formalisme de la force propre, une extension naturelle de la théorie des perturbations d'un trou noir ; nous démontrons la cohérence des résultats ainsi obtenus dans leur domaine de validité commun. Dans un second temps, nous combinons ces deux méthodes perturbatives afin d'estimer l'effet de recul gravitationnel lors de la coalescence de deux trous noirs de Schwarzschild ; nos résultats sont en très bon accord avec ceux obtenus par des simulations en relativité numérique. La seconde partie de cette thèse traite du problème de la matière noire en astrophysique. L'hypothèse de la matière noire rend compte de nombreuses observations indépendantes de l'échelle des amas de galaxies jusqu'aux échelles cosmologiques. Les observations à l'échelle galactique sont toutefois en bien meilleur accord avec la phénoménologie de la dynamique newtonienne modifiée (MOND), qui postule une modification des lois de la gravité en l'absence de matière noire. Nous proposons une troisième alternative : conserver la théorie de la gravitation standard, mais doter la matière noire d'une propriété de polarisabilité dans un champ gravitationnel, de façon à rendre compte de la phénoménologie de MOND à l'échelle des galaxies.

Cette thèse comporte deux thèmes principaux: l'un concerne l'accélération non adiabatique des ions dans la couche de plasma proche de la Terre, l'autre les pulsations géomagnétiques dues à la décroissance de la pression dynamique du vent solaire. L'accélération nonadiabatique des ions de la couche de plasma est importante pour comprendre la formation du courant annulaire et les injections énergétiques des sous-orages. Dans la première partie de cette thèse, nous présentons des études de cas d'accélération non adiabatique des ions de la couche de plasma observés par Cluster et TC-1 Double Star dans la queue magnétique proche de la Terre (par exemple à (X,Y, Z)=(-7.7, 4.6, 3.0) RT lors de l'évènement du 30 octobre 2006), beaucoup plus près de la Terre que ceux qui avaient été précédemment observés. Nous trouvons que les variations du flux d'énergie des ions, qui sont caractérisées par une décroissance entre 10 eV et 20 keV et une augmentation entre 28 keV et 70 keV, sont causées par l'accélération non adiabatique des ions associée étroitement avec les fortes fluctuations du champ électromagnétique autour de la gyrofréquence des ions H+. Nous trouvons aussi que les ions après l'accélération non adiabatique sont groupés en phase de gyration et c'est la première fois que ceci est trouvé dans la couche de plasma alors que cet effet a été observé dans le vent solaire dans les années 1980. Nous interprétons les variations de flux d'énergie des ions et les groupements en phase de gyration en utilisant un modèle non adiabatique. Les résultats analytiques et les spectres simulés sont en bon accord avec les observations. Cette analyse suggère que cette acceleration nonadiabatique associée aves les fluctuations du cham magnétique est un mécanisme efficace pour l'accélération des ions dans la couche de plasma proche de la Terre. Les structures de flux d'énergie présentées peuvent être uilisées comme un proxy pour identifier ce processus dynamique. Dans le deuxième thème, nous étudions la réponse du champ géomagnétique à une impulsion de la pression dynamique (Psw) du vent solaire qui a atteint la magnétosphère le 24 août 2005. En utilisant les données du champ géomagnétique à haute résolution fournies par 15 stations au sol et les données des satellites Geotail, TC-1 et TC-2, nous avons étudié les pulsations géomagnétiques aux latitudes aurorales dues à la décroissance brusque de Psw dans la limite arrière de l'impulsion. Les résultats montrent que la décroissance brutale de Psw peut exciter une pulsation globale dans la gamme de fréquence 4.3-11.6 mHz. L'inversion des polarisations entre deux stations des latitudes aurorales, la densité spectrale de puissance (PSD) plus grande près de la latitude de résonance et la fréquence augmentant avec la diminution de la latitude indiquent que les pulsations sont associées avec la résonance des lignes de champ (FLR). La fréquence résonante fondamentale (la fréquence du pic de PSD entre 4.3-5.8 mHz) dépend du temps magnétique local et est maximale autour du midi local magnétique. Cette caractéristique est due au fait que la dimension de la cavité magnétosphérique dépend du temps et est minimale à midi. Une onde harmonique est aussi observée à environ 10 mHz, qui est maximale dans le secteur jour, et est fortement atténuée lorsque on va vers le coté nuit. La comparaison entre les PSDs des pulsations provoquées pas l'augmentation brutale et la décroissance brutale de Psw montre que la fréquence des pulsations est inversement proportionnelle à la dimension de la magnétopause. Puisque la résonance des lignes de champ (FLR) est excitée par des ondes cavité compressée/guide d'onde, ces résultats indiquent que la fréquence de résonance dans la cavité magnétosphérique/guide d'onde est due non seulement aux paramètres du vent solaire mais est aussi influencée par le temps magnétique local du point d'observation.

Les NAG (Active galactic nuclei, ou noyaux actifs de galaxie) sont des noyaux galactiques lumineux (L>10^42 erg/s) au centre desquels se trouve un trou noir super massif. Leur énergie lumineuse est libérée lors de l'accrétion sur ce trou noir, soit via un disque d'accrétion, soit via un flux d'accrétion relativement inefficace. Certaines questions, notamment concernant l'origine des jets dans environ 10 % des NAG, n'ont pas encore de réponse. Le Fermi/LAT gamma-ray survey a soulevé une nouvelle question lorsqu'il a détecté un petit groupe de radio galaxies en addition à de nombreux blazars. Les radio galaxies sont séparées en deux catégories en fonction du de la luminosité de leurs jets dans le domaine radio. La catégorie Fanaroff-Riley I (FR-I) rassemble les sources dont les jets sont brillants près du noyau, tandis que les jets des sources de la catégorie FR-II sont brillants aux extrémités. Les sources FR-I sont apparentées aux BL Lacs, blazars de faible luminosité. Les FSRQ, blazars de forte luminosité, sont probablement enfantés par les sources de type FR-II. Cette thèse présente une étude de radio galaxies lumineuses dans le domaine gamma. Nous avons étudié deux exemples de ce nouveau type de sources en analysant des données X et gamma et en créant des distributions spectrales d'énergie (SED) large-bande. Pour 3C 111, de type FR -II, nous avons analysé des observations de Suzaku/XIS et PIN, ainsi que des observations d'INTEGRAL IBIS/ISGRI, pour créer un spectre dans le domaine X. Nous avons aussi utilisé un spectre mesuré par Swift/BAT lors de sa campagne d'observation de 58 mois. Le spectre résultant, qui couvre les énergies de 0,4 à 200 keV, met en évidence deux contributions : l'une thermale de type Seyfert montrant une raie de fer K-alpha, l'autre non thermale caractéristique d'un jet. Nous avons aussi analysé des données gamma de Fermi/LAT. Nous avons combiné les données X et gamma avec des données historiques dans les domaines radio, infrarouge et optiques, pour construire le SED. Ce SED est modélisé de manière satisfaisante par un jet non thermal. La luminosité bolométrique de 3C 111 est relativement faible, et le modèle SED correspond plus à une source de type BL Lac que de type FSRQ auquel nous nous attendions. La seconde source que nous avons étudiée est M87, de type FR-I. Cette source proche a été détectée dans les bandes gamma et TeV, mais pas encore en rayons X durs (> 10 keV). Nous avons concentré la première partie de notre analyse sur la limite supérieure de l'émission X de cette source en utilisant des observations d'INTEGRAL IBIS/ISGRI. En plus de la méthode habituelle, nous avons appliqué plusieurs techniques telles que "pointing selection" et "shadogram treatment" afin d'augmenter le rapport signal sur bruit. En utilisant 5,1 Ms de données ISGRI nous avons déterminé, avec une certitude de 3 sigma, une limite supérieure de f < 3x10-12 erg/cm2/s pour le flux de M87 dans la bande 20-60 keV. Notre analyse d'observations de Suzaku/PIN nous a permis d'effectuer la première détection de rayons X dur émis par M87. Celle-ci a un flux de f=1.3+0.1-0.2x 10-11 erg/cm2/s entre 20 et 60 keV. Cette détection suggeste une éruption; en effet ce flux est très supérieur à la limite supérieure que nous avons calculée. En combinant cette limite supérieure d'émission X avec des données de Fermi/LAT et données historiques radio, infrarouges et optiques, nous avons construit un SED. Celui-ci est correctement modélisé par une source de type BL Lac, conforme à nos attentes puisque M87 est de type FR-I. Nous avons alors examiné les aspects généraux des radio galaxies à forte émission gamma. La plupart de ces objets sont de type FR-I, et le noyau d'au moins une source FR-II (3C 111) est plus proche de BL Lac que de FSRQ. Il est possible que ce soit aussi le cas des autres sources FR-II. Comme dans le cas des blazars, leur émission gamma est originaire du jet. La source est trop inclinée pour que l'émission du jet apparaisse boostée. En revanche, puisque les rayons gammas sont émis à proximité du trou noir central, les observations peuvent être expliquées soit par un grand angle d'ouverture du jet, soit par réflection sur le disque. Fermi/LAT a observé un potentiel halo de matière sombre aux alentours de l'amas de la vierge. J'ai participé à l'étude de l'émission de cette source. Notre travail a mis en évidence qu'une collection de source ponctuelles contribue à cette émission. Je présente dans cette thèse le résultat de notre analyse. Pour terminer, nous rapportons la première détection de rayons X provenant de l'objet BL Lac BZB J1552+0850 et de la galaxie de Seyfert LSBC F727-V01. Nous les avons observées avec les instruments UVOT et XRT de Swift. Ces deux sources sont situées dans le rayon d'erreur de la source Fermi/LAT 2FGL J1551.9+0855. Puisque les galaxies de Seyfert émettent rarement des rayons gammas, nous avançons l'hypothèse que BZB J1552+0850 est la contrepartie UV et X de la source gamma Fermi/LAT 2FGL J1551.9+0855. L'étude du rayonnement X des radio galaxies à forte émission gamma aide à caractériser ces sources. La résolution spectrale de la nouvelle génération d'instruments tels que NuSTAR et ASTRO-H permettra de distinguer les composantes thermales et non-thermales des spectres X. Construire des spectres de distribution d'énergie à partir d'observation à plusieurs longueurs d'ondes aidera à contraindre les émissions large-bande. Cela facilitera l'assignation de contreparties visibles aux sources détectées par Fermi/LAT, tâche non triviale à cause des incertitudes de position.

Nous avons étudié ici une nouvelle forme d'excitation, dite collective, dans la croûte interne des étoiles à neutrons. Dans cette partie de l'étoile, en se structurant, la matière prend des formes aux géométries originales appelées " phase pasta " et dont l'état est superfluide dans des conditions de température caractéristiques des étoiles à neutrons. L'objectif était de décrire des excitations dont les longueurs d'onde varient de la taille de la cellule de Wigner-Seitz à des très grandes valeurs. Ces dernières sont essentielles pour l'étude à basse énergie et représentent l'aspect macroscopique de ce milieu alors que les premières correspondent aux aspects microscopiques de la matière. Pour cela nous avons opté pour une approche fondée sur l'hydrodynamique des superfluides à plusieurs constituants. Ainsi, nous avons pris en compte les propriétés essentielles de la matière nucléaire telles que les vitesses du son. Le modèle que nous avons développé consiste essentiellement en l'étude de la propagation de perturbations à travers ces structures, par rapport à un équilibre hydrostatique. Nous nous sommes penchés sur le cas des structures en forme de plaques uniquement. Pour cela nous avons été conduits à définir des conditions aux bords, afin de modéliser les effets des interfaces. La périodicité du milieu a été prise en compte en utilisant le théorème de Floquet-Bloch. La résolution des équations nous a permis d'obtenir les spectres d'excitations de ces plaques. Nous en avons dégagé les propriétés physiques et nous avons utilisé ces spectres pour le calcul de chaleur spécifique. Ceci nous a permis d'étudier la contribution de ces excitations collectives en les comparant aux autres formes d'excitations possibles. Ainsi nous avons constaté que cette nouvelle contribution était loin d'être négligeable. Elle aura sa place à part entière dans les futurs calculs d'évolution thermique des étoiles à neutrons. Plus de détails sur http://lucdigallo.free.fr/spip.php?article14&lang=fr