Techniques de détection pour le téléscope H.E.S.S. II, effets de lentilles gravitationnelles et émission des blazars en astronomie des hautes et très hautes énergies.

Detection techniques for the H.E.S.S. II telescope, data modeling of gravitational lensing and emission of blazars in HE-VHE astronomy

• Auteur / Autrice : Anna Barnacka
• Direction : Jean-François Glicenstein, Rafal Moderski
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'univers
• Date : Soutenance le 22/02/2013
• Etablissement(s) : Paris 11 en cotutelle avec Centrum astronomiczne im. Mikolaja Kopernika (Varsovie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, Noyaux, Cosmos (Paris ; 2009-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1991-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-François Glicenstein, Rafal Moderski, Wlodzimierz Bednarek, Stefan J. Wagner, Tomasz Bulik, Mohammed Reza Ansari Foumani
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Wlodzimierz Bednarek, Stefan J. Wagner

Mots clés

Mots clés contrôlés

Objets BL Lacertae

Sursauts gamma

Lentilles gravitationnelles

Astronomie gamma

Mots clés libres

Astronomie gamma

Lentilles gravitationnelles

Objets BL Lacertae

Sursauts gamma

Gamma astronomy

Gravitational lenses

BL Lacertae objects

GRBs

Résumé

La présente thèse porte sur quatre aspects différents de l’astronomie des hautes énergies.La première partie de ma thèse est dédiée à un développement instrumental pour les télescopes Cherenkov imageurs, le système de déclenchement de niveau 2 du télescope de 28 mètres du réseau H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System). Mon travail s’est focalisé sur l’invention d’algorithmes et les simulations Monte-Carlo du système de déclenchement, ainsi que la comparaison de la reconstruction au niveau de la carte de déclenchement à la reconstruction ”hors-ligne” (Moudden,Barnacka, Glicenstein et al. 2011a; Moudden, Venault, Barnacka et al. 2011b). Je décris le système et j’évalue ses performances.Le réseau H.E.S.S. a observé le blazar PKS1510-089. La deuxième partie de ma thèse traite de l’analyse des données et la modélisation de l’émission large bande de ce blazar. C’est un exemple de quasar radio à spectre plat (FSRQ), pour lequel il n’est attendu aucune émission aux très hautes énergiesJ’ai modélisé les données observées pendant un "flare” de PKS1510-089. Ce modèle est basé sur un scénario de choc interne à une zone.Le troisième chapitre de ma thèse est une étude d’un autre phénomène affectant potentiellement les blazars observés par FERMI-LAT: l’effet de lentille gravitationnelle fort. Cette partie de ma thèse montre le premier indice de présence d’un effet de lentille gravitationnelle dans le domaine des photons de haute énergie. Cet indice provient de l’observation d’un écho dans la courbe de lumière du blazar distant PKS1830-211, qui est une lentille gravitationnelle connue. Les méthodes d’estimation des retards temporels dans les systèmes de lentille gravitationnelles reposent sur la corrélation croisée des courbes de lumière individuelles. Dans l’analyse présentée dans cette thèse, j’ai utilisé des photons de 300 MeV à 30 GeV détectés par l’instrument FERMI-LAT. L’instrument FERMI-LAT ne peut pas séparer spatialement les images des lentilles gravitationnelles fortes connues. La courbe de lumière observée est donc la superposition des courbes de lumière des images individuelles. Les données du FERMI-LAT ont l’avantage d’être des séries temporelles régulièrement espacées,avec un bruit de photons très bas. Cela permet d’utiliser directement les méthodes de transformées de Fourier. Un retard temporel entre les images compactes de PKS1830-211 a été recherché par deux méthodes : une méthode d’auto-corrélation et la méthode du ”double spectre”. La méthode du double spectre fournit un signal de 27 ± 0.6jours (statistique) avec une significativité de 4.2 σ. Ce résultat est compatible avec ceux de Lovell et al (1998) et Wiklind et Combes (2001).La dernière partie de ma thèse est consacrée à un effet de lentille différent, le ”femtolensing”. La recherche d’effets de femtolensing a été utlisée pour obtenir des limites sur l’abondance de trous noirs primordiaux. Celle-ci a été contrainte de manière significative dans un large domaine de masses. Les limites les moins contraignantes ont été établies pour les objets de faible masse, pour lesquels la détection représente un défi expérimental. J’ai utilisé les sursauts gamma de redshift connus d´etectés par le Fermi Gamma Ray Burst Monitor (GBM) pour rechercher d’éventuels effets de femtolensing produits par des objets compacts sur la ligne de visée. L’absence de ces effets de femtolensing montre que des trous noirs primordiaux de masse comprises entre 5×10^17 et 10^20 g ne constituent pas une fraction importante de la matière noire. J’ai effectué mes études de thèse en co-tutelle entre le Centre Astronomique Nicolaus Copernicus de l’académie des sciences polonaise, à Varsovie et l’Institut de Recherches sur les Lois fondamentales de l’Univers du CNRS à Saclay, en France.

This thesis presents the study of four aspects of high energy astronomy.The first part of my thesis is dedicated to an aspect of instrument development for imaging atmospheric Cherenkov telescopes, namely the Level 2 trigger system of the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.). My work on the project focused on the algorithm development and the Monte Carlo simulations of the trigger system and overall instrument (Moudden, Barnacka, Glicenstein et al. 2011a; Moudden, Venault, Barnacka et al. 2011b). The hardware implementation of the system is described andits expected performances are then evaluated. The H.E.S.S. array has been used to observe the blazar PKS 1510-089.The second part of my thesis deals with the data analysis and modeling of broad-band emission of this particular blazar. In part II of my thesis, I am presenting the analysis of the H.E.S.S. data: the light curve and spectrum of PKS 1510-089, together with the FERMI data and a collection of multi-wavelength data obtained with various instruments. I am presenting the model of PKS 1510-089 observations carried out during a flare recorded by H.E.S.S.. The model is based on a single zone internal shock scenario.The third part of my thesis deals with blazars observed by the FERMI-LAT, but from the point of view of other phenomena: a strong gravitational lensing. This part of my thesis shows the first evidence for gravitational lensing phenomena in high energy gamma-rays. This evidence comes from the observation of a gravitational lens system induced echo in the light curve of the distant blazar PKS 1830-211. Traditionalmethods for the estimation of time delays in gravitational lensing systems rely on the cross-correlation of the light curves from individual images. In my thesis, I used 300 MeV-30 GeV photons detected by the Fermi-LAT instrument. The FERMI-LAT instrument cannot separate the images of known lenses. The observed light curve is thus the superposition of individual image light curves. The FERMI-LAT instrument has the advantage of providing long, evenly spaced, time series with very low photonnoise. This allows to use directly Fourier transform methods. A time delay between the two compact images of PKS 1830-211 has been searchedfor both by the autocorrelation method and a new method: the “double power spectrum”. The double power spectrum shows a 4.2 σ evidence for a time delay of 27.1±0.6 days (Barnacka et al. 2011), consistent with the results from Lovell et al. (1998) and Wiklind & Combes (2001).The last part of my thesis concentrates on another lensing phenomena called ”femtolensing”. The search for femtolensing effects has been used to derive limits on the primordial black holes abundance. The abundance of primordial black holes is currently significantly constrained in a wide range of masses. The weakest limits are established for the small mass objects, where the small intensity of the associated physical phenomenon provides a challenge for current experiments. I have usedgamma-ray bursts with known redshifts detected by the FERMI Gamma-ray Burst Monitor (GBM) to search for the femtolensing effects caused by compact objects. The lack of femtolensing detection in the GBM data provides new evidence that primordial black holes in the mass range 5 × 10^17 – 10^20 g do not constitute a major fraction of dark matter (Barnacka et al. 2012). My Ph.D. studies have been carried out jointly between the Nicolaus Copernicus Astronomical Center of the Polish Academy of Sciences, in Warsaw in Poland and the IRFU institute of the Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives(CEA) Saclay in France.