The life and death of massive stars revealed by the observation of nuclear gamma-ray lines with the INTEGRAL/SPI spectrometer
La vie et la mort des étoiles massives révélées par l'observation des raies gamma nucléaires grâce au spectromètre INTEGRAL/SPI
Résumé
: This thesis is aimed at drawing and interpreting observational constraints about massive stars and their supernovae. In this perspective, we focus on the signatures of their nucleosynthetic activity and more precisely on the decay radiation of three radio-isotopes produced and released at various stages of their lives : 44Ti, 26Al and 60Fe. Thanks to the high-resolution spectrometer SPI onboard the INTEGRAL satellite, we have characterised the gamma-ray line emission associated with the decay of these radionuclides.
In a first part, we concentrate on the decay emission of the 44Ti present in the Cassiopeia A supernova remnant. The goal of this study is to obtain from a spectral analysis a constraint on the kinematics of the ejecta of Cassiopeia A. Such a result could help us understand the still uncertain mechanism by which massive stars explode as core-collapse supernovae at the end of their lives.
We then deal with the gamma-ray lines produced in the decay of 26Al and 60Fe. Both species are long-lived isotopes which accumulate in the interstellar medium around massive stars, thereby giving rise to a galactic diffuse emission at 1809 and 1173/1332 keV respectively. The SPI observations of this emission are compared to a model of the galactic nucleosynthesis activity based on the latest stellar models. A more detailed work is devoted to the Cygnus region, which harbours a rich and nearby concentration of massive stars. The SPI data are compared to the theoretical predictions obtained from a population synthesis code and a numerical simulation of the diffusion of 26Al inside the superbubble blown by Cyg OB2.
In a first part, we concentrate on the decay emission of the 44Ti present in the Cassiopeia A supernova remnant. The goal of this study is to obtain from a spectral analysis a constraint on the kinematics of the ejecta of Cassiopeia A. Such a result could help us understand the still uncertain mechanism by which massive stars explode as core-collapse supernovae at the end of their lives.
We then deal with the gamma-ray lines produced in the decay of 26Al and 60Fe. Both species are long-lived isotopes which accumulate in the interstellar medium around massive stars, thereby giving rise to a galactic diffuse emission at 1809 and 1173/1332 keV respectively. The SPI observations of this emission are compared to a model of the galactic nucleosynthesis activity based on the latest stellar models. A more detailed work is devoted to the Cygnus region, which harbours a rich and nearby concentration of massive stars. The SPI data are compared to the theoretical predictions obtained from a population synthesis code and a numerical simulation of the diffusion of 26Al inside the superbubble blown by Cyg OB2.
L'objectif de cette thèse est de fournir puis d'exploiter des contraintes observationnelles relatives aux étoiles massives et à leurs explosions de supernova. Pour cela, nous nous intéressons à la signature de leur activité de nucléosynthèse et plus particulièrement au rayonnement de décroissance de plusieurs isotopes radioactifs produits et libérés à divers stades de leur existence : le 44Ti, l'26Al et le 60Fe. Grâce au spectromètre haute-résolution SPI embarqué sur l'observatoire spatial INTEGRAL, nous avons pu caractériser l'émission de raies gamma associée à la décroissance de ces trois radio-isotopes.
Dans un premier temps, nous nous concentrons sur l'émission de décroissance du 44Ti présent dans le vestige de supernova Cassiopée A. Le but de cette étude est d'obtenir, par une analyse spectrale du signal, une information sur la cinématique de l'ejecta de Cassiopée A. Une telle donnée pourrait alors nous renseigner sur le mécanisme incertain par lequel l'effondrement gravitationnel d'une étoile massive en fin de vie aboutit à une explosion de supernova.
Nous nous intéressons ensuite aux raies gamma de la décroissance de l'26Al et du 60Fe. Ces deux isotopes à longue durée de vie s'accumulent dans le milieu interstellaire autour des étoiles massives et donnent lieu à une émission galactique diffuse à 1809 et 1173/1332 keV respectivement. Les observations SPI de cette émission sont confrontées à un modèle de la nucléosynthèse galactique construit à partir des plus récents modèles stellaires. Un travail plus détaillé est alors consacré à la région du Cygne, qui abrite une forte concentration d'étoiles massives proches. Les données SPI obtenues sont comparées aux prédictions théoriques d'un code de synthèse de population et d'une simulation numérique de diffusion de l'26Al à l'intérieur de la superbulle soufflée par l'amas Cyg OB2.
Dans un premier temps, nous nous concentrons sur l'émission de décroissance du 44Ti présent dans le vestige de supernova Cassiopée A. Le but de cette étude est d'obtenir, par une analyse spectrale du signal, une information sur la cinématique de l'ejecta de Cassiopée A. Une telle donnée pourrait alors nous renseigner sur le mécanisme incertain par lequel l'effondrement gravitationnel d'une étoile massive en fin de vie aboutit à une explosion de supernova.
Nous nous intéressons ensuite aux raies gamma de la décroissance de l'26Al et du 60Fe. Ces deux isotopes à longue durée de vie s'accumulent dans le milieu interstellaire autour des étoiles massives et donnent lieu à une émission galactique diffuse à 1809 et 1173/1332 keV respectivement. Les observations SPI de cette émission sont confrontées à un modèle de la nucléosynthèse galactique construit à partir des plus récents modèles stellaires. Un travail plus détaillé est alors consacré à la région du Cygne, qui abrite une forte concentration d'étoiles massives proches. Les données SPI obtenues sont comparées aux prédictions théoriques d'un code de synthèse de population et d'une simulation numérique de diffusion de l'26Al à l'intérieur de la superbulle soufflée par l'amas Cyg OB2.
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