La détection des sursauts gamma par le télescope ECLAIRs pour la mission spatiale SVOM

Detection of Gamma-Ray Bursts with the ECLAIRs instrument onboard the space mission SVOM

• Auteur / Autrice : Sarah Antier-Farfar
• Direction : Stéphane Schanne, Frédéric Daigne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 29/11/2016
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Astrophysique Instrumentation Modélisation (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2005-....) - Institut d'astrophysique de Paris (1936-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Alain Abergel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Schanne, Frédéric Daigne, Alain Abergel, Sandro Mereghetti, Frédéric Piron, Valerie Connaughton, Jean Luc Atteia, Nicolas Leroy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sandro Mereghetti, Frédéric Piron

Mots clés

Mots clés contrôlés

Temps réel (informatique)

Instruments

Astronomie

Monte-Carlo, Méthode de

Astronomie gamma

Mots clés libres

Astronomie gamma

Instrumentation spatiale

Détection en temps-réel

Sursauts gamma

Gamma-ray astronomy

Space instrumentation

Real-time analysis

Gamma-ray bursts

Résumé

Les sursauts gamma sont des événements fascinants de par leur origine longtemps restée mystérieuse, leur apparition imprévisible dans le ciel, et la formidable énergie qu'ils libèrent sous forme de bouffées de rayonnement gamma. Découverts fortuitement au début des années 1970, ils se traduisent par un intense flash de rayons gamma de brève durée (de quelques ms à quelques min), appelé émission prompte, suivi d'une émission longue, appelée rémanence, qui décroît rapidement, en émettant depuis les rayons X jusqu'au domaine radio. L'origine des sursauts gamma est encore largement discutée mais ces phénomènes extrêmes sont très vraisemblablement associés à la formation de nouveaux trous noirs stellaires. Mon sujet de thèse se situe au coeur de la mission sino-française SVOM dont le lancement du satellite est prévu en 2021, qui scrutera le ciel pour observer les sursauts avec une précision inégalée, associant observations spatiales et terrestres. Mon travail concerne l'instrument principal de la mission, le télescope spatial ECLAIRs. Il s'agit d'une caméra à masque codé sensible aux rayons X et gamma de basse énergie, en charge de la détection et de la localisation de l'émission prompte des sursauts. Durant mon travail de thèse, j'ai travaillé sur les performances scientifiques de l'instrument ECLAIRs et j'ai en particulier estimé le nombre de sursauts qui seront détectés et leurs caractéristiques. Pour cela, j'ai mis en place des simulations de performances utilisant les prototypes des algorithmes de détection embarqués combinés au modèle de l'instrument ECLAIRs. Les données en entrée des simulations comportent un bruit de fond simulé, et une population synthétique de sursauts gamma générée à partir de catalogues existants issus des observations des missions antérieures (CGRO, HETE-2, Swift et Fermi). Mon étude a permis d'estimer finement l'efficacité de détection d'ECLAIRs et prédit un taux de sursauts attendu par ECLAIRs entre 40 et 70 sursauts par an. Par ailleurs, mon travail a montré qu'ECLAIRs sera particulièrement sensible à une population de sursauts très riches en rayons X, population encore mal connue. Ma thèse présente plusieurs autres études complémentaires portant sur la performance de localisation, le taux de fausses alertes et les caractéristiques des déclenchements des algorithmes. Enfin, j'ai proposé deux nouvelles méthodes originales de détection de sursauts dont les résultats préliminaires présentés dans ma thèse sont très encourageants. Ils montrent que la sensibilité d'ECLAIRs aux sursauts courts (population d'intérêt particulier en raison de son lien attendu avec les ondes gravitationnelles) peut être encore améliorée.

Discovered in the early 1970s, gamma-ray bursts (GRBs) are amazing cosmic phenomena appearing randomly on the sky and releasing large amounts of energy mainly through gamma-ray emission. Although their origin is still under debate, they are believed to be produced by some of the most violent explosions in the Universe leading to the formation of stellar black-holes. GRBs are detected by their prompt emission, an intense short burst of gamma-rays (from a few millisecondes to few minutes), and are followed by a lived-afterglow emission observed on longer timescales from the X-ray to the radio domain. My thesis participates to the developement of the SVOM mission, which a Chinese-French mission to be launched in 2021, devoted to the study of GRBs and involving space and ground instruments. My work is focussed on the main instrument ECLAIRs, a hard X-ray coded mask imaging camera, in charge of the near real-time detection and localization of the prompt emission of GRBs. During my thesis, I studied the scientific performances of ECLAIRs and in particular the number of GRBs expected to be detected by ECLAIRs and their characteristics. For this purpose, I performed simulations using the prototypes of the embedded trigger algorithms combined with the model of the ECLAIRs instrument. The input data of the simulations include a background model and a synthetic population of gamma-ray bursts generated from existing catalogs (CGRO, HETE-2, Fermi and Swift). As a result, I estimated precisely the ECLAIRs detection efficiency of the algorithms and I predicted the number of GRBs to be detected by ECLAIRs : 40 to 70 GRBs per year. Moreover, the study highlighted that ECLAIRs will be particularly sensitive to the X-ray rich GRB population. My thesis provided additional studies about the localization performance, the rate of false alarm and the characteristics of the triggers of the algorithms. Finally, I also proposed two new methods for the detection of GRBs.The preliminary results were very promising and demonstrate that the sensitivity of ECLAIRs to the short GRBs (an interesting population due to the predicted association with gravitational waves) could be improved further.