Astronomie multi-messager avec des télescopes à grand champ de vue : stratégies d'observation, analyse d'images, suivi de candidats, études et implications astrophysiques

Multimessenger astronomy with large field of view telescopes : observational strategies, image analysis, candidate follow-up, study and astrophysical implications

• Auteur / Autrice : Kanthanakorn Noysena
• Direction : Alain Klotz, Michel Boër
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique, Sciences de l'Espace, Planétologie
• Date : Soutenance le 14/09/2020
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche en astrophysique et planétologie (Toulouse ; 2011-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement d'images

Interféromètres

Astronomie -- Observations

Mots clés libres

Multimessenger

Ondes gravitationnelles

Sursaut gamma

Télescopes à grand champ de vue

Événement transitoire

TAROT

Multimessenger

Gravitational Waves

Gamma-Ray Bursts

Wide field Observation

Transient event

TAROT

Résumé

La détection des ondes gravitationnelles (GWs) par les interféromètres LIGO et Virgo a ouvert une nouvelle ère pour les observations multimessagers, en particulier la détection simultanée d'événements GW et de sursauts gamma (GRB). Le premier événement GW détecté par LIGO le 14 septembre 2015 (Abbott et al.,2016d) était une fusion de trous noirs binaires (BBH). Jusqu'en août 2017, neuf autres fusions de trous noirs ont été détectées lors des campagnes d'observation O1 et O2. Mais l'objet le plus intéressant pour l'astronomie multi messager a été la fusion de deux étoiles à neutrons (BNS) détectée le 17 août 2017 (Andreoni et al., 2017). Cette fusion a été détectée par divers détecteurs d'ondes électromagnétiques et a permis de confirmer l'existence du modèle kilonova. Mon travail de thèse a commencé par l'analyse d'images enregistrées par les télescopes TAROT lors des campagnes O1, O2 pour essayer de détecter de nouvelles sources optiques associées aux fusions de trous noirs (BBH). J'ai développé la chaîne d'analyse pour traiter les images TAROT. Aucun transitoire optique n'a été détecté, mais la magnitude limite de l'événement BBH du 14 août 2017 a apporté de nouvelles contraintes concernant le lien hypothétique avec les sursauts gamma et a donné lieu à une publication (Noysena et al.,2019). Les trois événements GW150914, GW170104 et GW170814 observés par TAROT nous ont permis de contraindre la valeur alpha < 10^-5 de la fraction d'énergie émise par les ondes gravitationnelles convertie en lumière optique. Une couverture d'environ 100% de la localisation de GW170814 a été observée 0,6 jour après l'émission des ondes gravitationnelles sans signe de transitoire optique. Cette limite, comparée à 147 courbes de lumière optiques de GRB de redshift connus, a permis de conclure que 65% des GRBs connus auraient été détectés si GW170814 avait été associé à un GRB. La possibilité de détecter un transitoire optique a repris lorsque les interféro-mètres GW ont effectué la campagne O3 entre le 1er avril 2019 et le 27 mars 2020. À la fin de la campagne O3, 55 événements ont été détectées par LIGO et Virgo et 47 événements GW ont été suivi par TAROT. Des milliers d'images ont été enregistrées et analysées pour rechercher les transitoires optiques avec une chaîne logicielle utilisant des techniques de traitement décrites en détail dans ce manuscrit. Aucune nouvelle source optique crédible associée aux événements GW n'a été trouvée. 34 circulaires GCN rapportant les limites de détection des observations optiques ont été publiées dans les circulaires GCN. L'efficacité de conversion alpha pour BNS, BBH et NSBH est respectivement de 2×10^-6, 3×10^-7 et 2×10^-8. La limite de détection et le court délai pour commencer les observations optiques avec TAROT nous ont permis de réduire fortement l'hypothèse de l'association entre GWs et GRBs en cas de fusion BBH. Cependant, nous n'avons pas suffisamment de cas pour exclure définitivement l'association. Cinq fusions d'étoiles à neutrons binaires ont été détectées pendant la campagne O3 mais aucune d'entre elles n'était plus proche que 100 Mpc, ce qui est au-delà de la distance limite où TAROT pouvait détecter la kilonova associée. En conséquence, nous ne tirons pas de conclusion sur les observations optiques de BNS. Le suivi optique par TAROT a été une expérience pionnière, passionnante, et nous avons ajusté la méthodologie événement après événement afin d'augmenter l'efficacité de la chaîne de détection. Le fait d'avoir rejoind le groupe GRANDMA nous a apporté plus d'opportunités pour détecter les transitoires optiques pendant la campagne O3 et a donné lieu à deux articles scientifiques publiés en collaboration (Antier et al., 2019, 2020). Un plus grand nombre de détection d'ondes gravitationnelles et d'observations optiques seront nécessaires dans le futur et nous sommes prêts à participer au suivi optique des prochaines campagnes GW.

The detection of gravitational waves (GWs) from LIGO and Virgo interferometers opened a new era for multimessenger observations especially with the coincident detection between GW events and gamma-ray burst (GRB) detection. The first GW event detected by LIGO on the 14th September 2015 (Abbott et al., 2016d) was a binary black hole merger (BBH). Until August 2017 nine other mergers of black holes were detected during runs O1 and O2. But the most interesting object for multimessenger astronomy was the merger of two neutron stars (BNS) detected on 17th August 2017 (Andreoni et al., 2017). This merger was detected in various electromagnetic waves and allowed to confirm the kilonova model. This research started with the analysis of images recorded by the TAROT telescopes during runs O1, O2 to detect new optical sources associated to black hole mergers. The analysis pipeline was developed to process images and none of optical transient detected but the limiting magnitude of the particular BBH event of 14th August 2017 gave new constraints about the hypothetical link with gamma ray bursts (Noysena et al., 2019). Three GW events; GW150914, GW170104 and GW170814 were observed with TAROT allowing us to constrain alpha < 10^-5, the fraction of energy emitted by gravitational waves converted into optical light. An approximately 100% coverage of localization of GW170814 was observed at 0.6 days after GW triggering with no evidence of optical transient and 65% of 147 optical light curves of GRBs known redshift were excluded. The chance to observe optical transient began when GW interferometers started the run O3 on 1st April 2019 and the campaign ended on 27th March 2020. At the end of run O3, 55 events were detected by LIGO and Virgo and 47 GW events were followed-up by TAROT, thousands of images were searched and analyzed for transient by pipeline using processing techniques described in this manuscript. No new credible optical source associated to GW events was found and 34 GCN circulars reporting optical observations were published to GCN network. The conversion efficiency alpha for BNS, BBH, and NSBH is at 2×10^-6, 3×10^-7 and 2×10^-8 respectively. The limiting magnitude and the short delay to start optical observations allow us to reduce severely the hypothesis of the association between GWs and GRBs in case of BBH mergers. However, we have not enough number of cases to exclude definitively the association. Five binary neutron star mergers were detected before the end of GW observation but none of them was closer than 100 Mpc which is beyond limiting distance where TAROT could detect the associated kilonova. As a consequence, no conclusion to derive any relevant with BNS optical observations. The optical follow up by TAROT was a pioneering experience with a lot of exciting jobs to adjust event after event to increase the efficiency of the detection pipeline. Joining the GRANDMA group brought more opportunity to detect optical transient during run O3 and result in scientific papers published by Antier et al. (2019, 2020). More GW counterparts and optical observations are needed and we are ready to participate to the optical follow-up of the next GW runs.