Première caractérisation de la population de pulsars radio à basses fréquences avec NenuFAR

First characterization of the population of low-frequency radio pulsars with NenuFAR

• Auteur / Autrice : Louis Bondonneau
• Direction : Gilles Theureau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique
• Date : Soutenance le 08/11/2019
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique et chimie de l'environnement et de l'espace (Orléans ; 2012-...)
• Jury : Président / Présidente : Arache Djannati-Ataï
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gilles Theureau, Arache Djannati-Ataï, Fabrice Mottez, Rene Breton, Marta Burgay, Matthieu Kretzschmar
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Fabrice Mottez, Rene Breton

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayonnement stellaire

Étoiles à neutrons

Pulsars

Mots clés libres

Pulsar

NenuFAR

Basses fréquences

Radio

Pulsar

NenuFAR

Low-Frequency

Radio

Résumé

Un pulsar est une étoile à neutrons en rotation rapide (typiquement un tour par seconde) dont le faisceau d’émission radio provenant des pôles magnétiques de l'étoile balaie l’univers. Quand le faisceau intercepte la Terre, le pulsar est détectable comme une série de pulsations régulières dans dans un vaste domaine de longueurs d'onde, de la radio jusqu'aux rayons gamma. Au cours de cette thèse j’ai utilisé, adapté et développé des méthodes d'analyses ainsi qu'un pipeline de traitement de signal en temps réel afin d’étudier les signaux radio des pulsars dans la gamme des basses fréquences utilisée par les radiotélescopes LOFAR(LOw Frequency Array) et NenuFAR (New Extension in Nançay Upgrading loFAR).NenuFAR est le nouvel instrument de la station de Radioastronomie de Nançay, construit pour observer le ciel entre 10 et 85 MHz de fréquence. C'est un réseau compact de nouvelle génération, constitué à terme de 1938 antennes phasées analogiquement et numériquement. Depuis le début de ma thèse, j'ai participé activement au développement, puis à la recette de ce nouvel instrument, jusqu'à son ouverture à la communauté scientifique le 1er juillet 2019 dans le cadre d’un appel à ''Early Science''.Le premier chapitre de ma thèse est consacré à la description du phénomène «  pulsar  », de l'émission du rayonnement dans la magnétosphère de l'étoile à neutrons jusqu'à l'observation du signal par le radiotélescope. Le second chapitre décrit l’instrumentation des radiotélescopes utilisés pendant la thèse, et en particulier, la conception du dédisperseur «  pulsar  » cohérent en temps réel de NenuFAR (LUPPI) et du « pipeline » de traitement des observations. Le troisième chapitre est réservé à l’étude d’une centaine de pulsars observés à basse fréquence avec LOFAR. Les données sont issues de deux relevés, l’un effectué avec le coeur de LOFAR (situé aux Pays-Bas) et l’autre avec la station LOFAR de Nançay. Finalement, le dernier chapitre est dédié à la mise en service de NenuFAR et aux premiers résultats scientifiques obtenus pour les observations des pulsars. Ce chapitre décrit en particulier les tests pour les différents modes d'observation (dédispersion cohérente, multi-beam, single pulse, enregistrement en forme d'onde) et le résultat du premier grand relevé du ciel Nord par NenuFAR, qui a permis à partir de l’observation de 500 pulsars la détection de 130 sources, dont plus de 50 pour la première fois à ces fréquences. J'y présente également le programme scientifique du projet clé pulsars de NenuFAR, que j'ai fortement contribué à mettre en place.

A pulsar is a rapidly rotating neutron star (typically one revolution per second). As it rotates, the beamed radio emission from the star's magnetic poles scans the universe. When the beam intercepts the Earth, the pulsar is detectable as a series of regular pulses over a wide wavelength range, from radio to gamma rays. During this thesis I used, adapted and developed analysis methods and a real-time signal processing pipeline to study pulsar radio signals in the low frequency range used by the radio telescopes LOFAR (LOw Frequency Array) and NenuFAR (New Extension in Nançay Upgrading loFAR).NenuFAR is the new instrument of the Nançay Radio Astronomy Station, built to observe the sky at frequency between 10 and 85 MHz. It is a compact array of the last generation of radio telescopes. Ultimately it will be composed of 1938 antennas with analog and digital phasing. Since the beginning of my thesis, I have been actively involved in the development of this new instrument, until it was opened to the scientific community on July 1, 2019 as part of a call for ''Early Science''.The first chapter of my thesis is devoted to the description of the ''pulsar'' phenomenon, from the emission of radiation in the magnetosphere of the neutron star to the observation of the signal by a radio telescope. The second chapter describes the instrumentation of the radio telescopes used during the thesis, and in particular the design of the NenuFAR coherent real-time ''pulsar'' dedispersion system (LUPPI) and the pipeline for the processing of the observations. The third chapter presents the study of about 100 pulsars observed at low frequency with LOFAR. The data are based on two surveys, one with the LOFAR core (located in the Netherlands) and the other with the LOFAR station in Nançay. Finally, the last chapter is dedicated to the commissioning of NenuFAR and the first scientific results obtained from pulsars observations. This chapter describes in particular the tests for the different observation modes (coherent dedispersion, multi-beam, single pulse, waveform recording) and the result of the first major survey of the North sky by NenuFAR. Based on the observation of 500 pulsars, this survey allowed the detection of 130 sources, including more than 50 which had never been detected at these frequencies before. I also present the scientific program of the NenuFAR pulsar Key Project, to which I have strongly contributed.