De nouvelles perspectives sur la nature des blazars à partir d'une décennie d'observations à multi longueurs d'onde : Découverte d'un très grand décalage de la fréquence de crête du synchrotron, des corrélations de flux optique-gamma à long terme et d'une tendance à la hausse du flux dans le BL Lac 1ES 1215+ 303

New insights on the nature of blazars from a decade of multi-wavelength observations : Discovery of a very large shift of the synchrotron peak frequency, long-term optical-gamma-ray flux correlations, and rising flux trend in the BL Lac 1ES 1215+303

• Auteur / Autrice : Janeth Veronica Valverde Quispe
• Direction : Denis Bernard, Deirdre Horan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 24/02/2020
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Leprince-Ringuet (Palaiseau ; 1936-....)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Paganini
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Deirdre Horan, John J. Quinn, Jean-Philippe Lenain, Reshmi Mukherjee, Jonathan Biteau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : John J. Quinn, Jean-Philippe Lenain

Mots clés

Mots clés contrôlés

Galaxies actives

Objets BL Lacertae

Sursauts gamma

Astrophysique

Cosmologie

Mots clés libres

Galaxies actives

Jets

Rayons gamma

Blazars

Active galaxies

Jets

Gamma-Ray

Blazars

Résumé

Les blazars sont connus pour leur variabilité sur une large gamme d'échelles de temps à toutes les longueurs d'onde; et leur classification (en quasars radio à spectre plat, BL Lac à basse fréquence crête, intermédiaire ou haute fréquence; FSRQ, LBL, IBL, HBL, pour ses sigles en anglais) est basée sur des caractéristiques spectrales à large bande qui ne considèrent pas la source comme étant, éventuellement, dans différentes états d'activité. Récemment, il a été proposé de classer les blazars en fonction de la cinématique de leurs caractéristiques radio. La plupart des études sur les blazars à rayons gamma TeV se concentrent sur des échelles de temps courtes, en particulier pendant les éruptions, en raison de la rareté des campagnes d'observation ou de l'existence relativement récente de détecteurs spécialisés suffisamment sensibles.Avec une décennie d'observations du Fermi-LAT, VERITAS, Je présente une étude approfondie de la variabilité à long terme multi longueurs d'onde du blazar 1ES 1215+303, des rayons gamma à la radio. Cet ensemble de données sans précédent révèle de multiples éruptions de rayons gamma fortes et une augmentation à long terme de la ligne de base des rayons gamma et du flux optique de la source sur une période de dix ans, ce qui se traduit par une corrélation linéaire entre ces deux bandes d'énergie sur une décennie. Des comportements HBL typiques sont identifiés dans la morphologie radio de la source. Cependant, des analyses de la distribution d'énergie spectrale à large bande à différents états de flux de la source, révèlent un déplacement extrême de l'énergie de la fréquence de crête du synchrotron de l'IR aux rayons X mous; indiquant que la source présente les caractéristiques IBL pendant les états de repos et le comportement HBL pendant les états éruptifs. Un modèle synchrotron self-Compton à deux composantes est utilisé pour décrire ce changement spectaculaire.Un cadre détaillé de l'analyse des données de l'instrument Fermi-LAT est fourni et pourrait servir de guide aux chercheurs intéressés par ce domaine. Je présente les efforts approfondis de validation des méthodes utilisées et les contrôles d'intégrité des résultats effectués. Une description des analyses de niveau supérieur est fournie, comme la sélection des éruptions et la recherche d'un comportement plus dur quand plus lumineux dans les données de Fermi-LAT, l'analyse de corrélation croisée et de variabilité à plusieurs longueurs d'onde; la recherche de tendances, log-normalité et variabilité, la caractérisation des éruptions et des distributions spectrales d'énergie, et la recherche d'observations Fermi-LAT - VERITAS simultanées. Ce sont le cœur de ce travail de doctorat.Les différentes méthodes appliquées et présentées dans ce travail fournissent un panorama complet et détaillé de la nature complexe de ce blazar et peuvent même remettre en question notre système de classification actuel. De plus, ce travail fournit une illustration du type d'analyses à long terme que les futurs instruments d'imagerie atmosphérique, tels que le Cherenkov Telescope Array, non seulement permettront mais pourrait même d'améliorer.

Blazars are known for their variability on a wide range of timescales at all wavelengths; and their classification (into flat spectrum radio quasars, low-, intermediate- or high-frequency-peaked BL Lac; FSRQ, LBL, IBL, HBL) is based on broadband spectral characteristics that do not consider the source being at, possibly, different states of activity. Recently, it was proposed that blazars could be classified according to the kinematics of their radio features. Most studies of TeV gamma-ray blazars focus on short timescales, especially during flares, due to the scarcity of observational campaigns or due to the relatively young existence of specialized, sensitive enough detectors.With a decade of observations from the Fermi-LAT and VERITAS, I present an extensive study of the long-term multi-wavelength variability of the blazar 1ES 1215+303 from gamma-rays to radio. This unprecedented data set reveals multiple strong gamma-ray flares and a long-term increase in the gamma-ray and optical flux baseline of the source over the ten-year period, which results in a linear correlation between these two energy bands over a decade. Typical HBL behaviors are identified in the radio morphology of the source. However, analyses of the broadband spectral energy distribution at different flux states of the source, unveil an extreme shift in energy of the synchrotron peak frequency from IR to soft X-rays; indicating that the source exhibits IBL characteristics during quiescent states and HBL behavior during high states. A two-component synchrotron self-Compton model is used to describe this dramatic change.A detailed framework of the analysis of the data from the Fermi-LAT instrument is provided, and could serve as a guideline for researchers interested in this field. I present the thorough efforts that were employed in validating the methods used and the sanity checks that were performed on the results obtained. A description of the higher-level analyses are provided, including the flare-selection algorithms, the search for harder-when-brighter behavior in the Fermi-LAT data, the multi-wavelength cross-correlation and variability analysis, the search for trends, log-normality and variability, the characterization of flares and of the spectral energy distributions, and the search for simultaneousFermi-LAT - VERITAS observations. These are the heart of this PhD work.The different methods applied and presented in this work provide a complete and detailed panorama of the intricate nature of this blazar, and possibly even challenge our current classification scheme. Moreover, this work provides an illustration of the type of long-term analyses that future imaging atmospheric instruments, such as the Cherenkov Telescope Array, will not only allow but potentially improve.