Comprendre la température des électrons au sein de jeunes restes de supernova

Lorsqu’une étoile explose, et que se forme un reste de supernova, la matière éjectée provoque des ondes de choc qui se propagent à plusieurs milliers de kilomètres par seconde. Comprendre ces chocs permet de modéliser la signature radiative ainsi que la fraction de rayons cosmiques qui s’y trouvent accélérés.

Dans ces milieux à très faible densité, les particules du plasma d’ions et d’électrons n’entrent qu’occasionnellement en collisions. La formation d’un choc résulte donc du couplage complexe de particules avec une turbulence électromagnétique sur des échelles 10 ordres de grandeur inférieures à la taille du rémanent. La physique de ces ondes de choc suscite un intérêt important et fait l’objet d’une approche pluridisciplinaire : numérique, observationnelle et expérimentale. Toutes indiquent une température des électrons 10³ fois supérieure à celle naïvement attendue par compression adiabatique de la population d’électrons au front de choc. Le mécanisme à l’origine de ce chauffage intense reste inexpliqué.

Une équipe de chercheurs internationale, incluant le CNRS Terre & Univers, a développé un nouveau modèle théorique, validé par des simulations numériques, qui permet de rendre compte du partage de l’énergie entre électrons et ions au passage de l’onde de choc. Du fait de leur masse importante, les ions sont faiblement affectés par la turbulence électromagnétique alors que les électrons, plus légers, percolent difficilement entre les structures (voir figure). De cette différence de dynamique résulte un champ électrique qui conduit les électrons à s’échauffer.

L’analogie avec une voiture de mariés permet la description du phénomène en termes simples : Ia voiture représente les ions à laquelle sont attachées des boîtes de conserve (les électrons). Lorsqu’elle accélère, les conserves sont entraînées par la corde (le champ électrique) et s’agitent progressivement par friction avec la route (la turbulence électromagnétique) qui leur confère ainsi une température effective plus élevée. La généralité de ce nouveau modèle ouvre des perspectives prometteuses à l'étude du transport, du chauffage et de l’accélération des particules dans différents environnements astrophysiques et de laboratoire dominés par une turbulence électromagnétique.