Studying the origin of cosmic-rays : Multi-messenger studies with very-high-energy gamma-ray instruments

par Monica Seglar-Arroyo

Thèse de doctorat en Astroparticules et cosmologie

Sous la direction de Fabian Schüssler et de Miguel Mostafa.

  • Titre traduit

    A la recherche des origines du rayonnement cosmique : études multi-messagers avec des instruments en rayons gamma de très haute énergie


  • Résumé

    Les phénomènes explosifs qui se produisent dans l'Univers à haute énergie sont capables d'accélérer les particules jusqu'aux énergies les plus élevées. Ces processus produisent des particules secondaires de nature différente, c'est-à-dire des photons et des neutrinos. Dans des cas particuliers, ces événements induisent des perturbations sur l'espace-temps, c'est-à-dire des ondes gravitationnelles détectables par des interféromètres sur Terre. La combinaison des informations complémentaires fournies par ces messagers cosmiques peuvent permettre de répondre à des questions ouvertes en astrophysique. Parmi les événements les plus violents qui produisent de tels signaux figurent la fusion des deux objets les plus denses, comme les étoiles à neutrons et les trous noirs ou l'activité accréatrice dans les galaxies sur un trou noir supermassif. Dans ce travail, nous nous concentrons sur les photons à très haute énergie que produisent ces événements extrêmes, et sur la connexion avec les autres contreparties, afin de fournir une image globale multi-messagers qui permet l'étude des mécanismes physiques en place. Les défis inhérents à l'astronomie multi-messager dans le domaine temporel, ce qui implique un effort mondial coordonné et simultané entre les installations et les disciplines astronomiques, sont discutés et abordés. Une nouvelle stratégie d'observation optimisée du suivi de l'eau souterraine pour les petits et moyens instruments de FoV comme le H.E.S.S. et le futur CTA, capable d'apporter une réponse rapide aux alertes, qui prend en compte les risques caractéristiques de l'événement GW et maximise les chances de détecter la contrepartie électromagnétique, sera présentée. Cette stratégie s'est avérée fructueuse lors d'observations de suivi avec les télescopes H.E.S.S., et en particulier dans le cas de la première detection de la fusion d'une binaire d'étoiles à neutrons, GW170817. Dans le cadre du réseau AMON, une analyse multi-messagers qui combine des événements d'ondes gravitationnelles avec des données HAWC a été développée dans le but d'identifier les coïncidences astrophysiques à partir d'événements indépendants. De plus, la découverte par H.E.S.S. en très hautes énergies du noyau galactique actif OT 081, lors d'un état de flux élevé en juillet 2016, sera présentée.


  • Résumé

    The explosive phenomena occurring in the high-energy Universe are able to accelerate particles up to the highest energies. These processes produce secondary particles of different nature, i.e. photons and neutrinos. In special cases, these events induce perturbations on the space-time, i.e. gravitational waves detectable by interferometers on Earth. The combination and the complementary information provided by these cosmic messengers may allow to answer open questions in astrophysics, as the origin of cosmic rays. Amongst the most violent events producing such signals are the merge of the two densest objects, as neutron stars and black holes or the accretion activity in galaxies onto a supermassive black hole. In this work, we focus on the very-high energy photons that these extreme events produce, and the connection with the other counterparts, in order to provide a broad multi-messenger picture which enables the study of the physical mechanisms in place. The challenges inherent to time-domain multi-messenger astronomy are discussed and tackled, which involves simultaneous coordinated worldwide effort across facilities and astronomical disciplines. A novel, optimized GW follow-up observation strategy for small/mid- FoV instruments as H.E.S.S. and the future CTA, able to perform a rapid response to alerts, which considers the characteristics of the GW event and maximizes the chances to detect the electromagnetic counterpart will be presented. This strategy was proven successful in follow-up observations with the H.E.S.S. telescopes and in particular in the case of the first ever detected binary neutron star merger, GW170817. In the context of the AMON network, a multi-messenger analysis that combines gravitational wave events with HAWC data, with the aim to identify astrophysical coincidences out of independent events, has been developed. In addition, the discovery by H.E.S.S. in very-high energies of the active galactic nucleus OT 081, during a flaring episode in July 2016, will be presented.


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