Observation et détection de pulsars avec les télescopes gamma H.E.S.S. et phénoménologie d'une nouvelle composante spectrale pulsée atteignant 20 TeV

Observation and detection of pulsars with the H.E.S.S. gamma telescopes and phenomenology of a new pulsed spectral componant reaching 20 TeV

• Auteur / Autrice : Marion Spir-Jacob
• Direction : Arache Djannati-Ataï
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'univers
• Date : Soutenance le 26/09/2019
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AstroParticule et Cosmologie (Paris ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Alessandra Tonazzo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Arache Djannati-Ataï, Alessandra Tonazzo, Fabrice Mottez, David A Smith, Bronisław Rudak, Roberta Zanin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Fabrice Mottez, David A Smith

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rapport signal-bruit

Modèles mathématiques

Monte-Carlo, Méthode de

Astronomie gamma

Pulsars

Mots clés libres

Pulsar

H.E.S.S.(High Energy Stereoscopic System)

Astronomie gamma depuis le sol

Tests statistiques de périodicité

Modèles d’émission de pulsars

Pulsar

H.E.S.S.(High Energy Stereoscopic System)

Ground-based gamma astronomy

Statistical tests on periodicity

Pulsar emission models

Résumé

La thèse porte sur la recherche avec le réseau de télescopes H.E.S.S. de pulsations en rayons gamma en provenance de pulsars.Une première partie est dédiée à l’étude de tests statistiques de périodicité à base de simulations Monte Carlo, notamment dans un régime de basse statistique et/ou de faible rapport signal sur bruit. Dans une deuxième partie, ces tests sont utilisés dans l’analyse des données de H.E.S.S. du pulsar de Vela et de deux autres pulsars, PSR B1706-44 et PSR J1509-5850. Les pulsations de Vela ont un spectre très dur et sont observées aux énergies allant de 3 TeV jusqu’au-delà de 20 TeV. Il s’agit des rayons gamma les plus énergétiques jamais détectés en provenance d’un pulsar. C’est également la première découverte d’une composante spectrale pulsée en discontinuité avec celle déjà connue des pulsars à plus basse énergie, au GeV. Le pulsar B1706-44 est détecté dans l’intervalle 10-80 GeV depuis le sol, avec un indice et un flux compatibles avec ceux de l’instrument LAT embarqué à bord du satellite Fermi. Un autre pulsar, J1509-5850, présente une indication pour une émission au TeV mais celle-ci reste à confirmer avec plus de données.Dans une troisième partie, la phénoménologie de la composante spectrale 3-20 TeV de Vela est étudiée en détail. Une revue critique de deux modèles récents ayant proposé une interprétation possible est suivie par un travail de modélisation sur la base d’une autre catégorie de modèles plus récente. Celle-ci repose sur l’accélération par reconnexion magnétique dans la feuille de courant et sur un boost de Lorentz, a contrario des modèles précédents. Nous démontrons qu’il est possible de reproduire nos données dans ce cadre où l’émission est produite par une diffusion Compton inverse sur les photons thermiques provenant de la surface de l’étoile. Cette découverte ouvrant de nouveaux horizons, nous terminons avec l’étude des perspectives du domaine avec le futur observatoire gamma CTA.

The thesis focuses on the search of gamma rays pulsations coming from pulsars with the H.E.S.S. telescopes.The first section is dedicated to the study of statistical tests of periodicity based on Monte Carlo simulations, in particular with scarce data and/or a small signal to noise ratio.In the second section, these tests are used in the analysis of H.E.S.S. observations of Vela and two other pulsars, PSR B1706-44 and PSR J1509-5850. The pulsations of Vela exhibit a very hard spectrum and are observed at energies ranging from 3 TeV to beyond 20 TeV. These are the most energetic gamma rays ever detected from a pulsar. It is also the first discovery of a pulsed spectral component in discontinuity with that already known at lower energies (GeV) from pulsars. The pulsar B1706-44 is detected from the ground in the 10-80 GeV range, with an index and a flux compatible with those of the LAT instrument onboard the Fermi satellite. Another pulsar, J1509-5850, shows a hint for a TeV emission but it still needs to be confirmed with further data.In the third part, the phenomenology of the spectral component between 3 and 20 TeV of Vela is studied in detail. After a critical review of two recent models suggesting possible interpretations, we explore another and more recent category of models. These rely on magnetic reconnection in the current sheet for the acceleration and on a Lorentz boost, as opposed to previous models. We demonstrate that it is possible to reproduce our data in this framework where the emission is due to an inverse Compton scattering of thermal photons from the neutron star surface.With this discovery opening new horizons, we conclude with the study of the perspectives of the field with the future gamma observatory CTA.