Astrophysique transitoire et multimessager avec les télescopes à imagerie Tcherenkov atmosphérique

Transient multi-messenger astrophysics with imaging atmospheric Cherenkov telescopes

• Auteur / Autrice : Halim Ashkar
• Direction : Fabian Schüssler
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astroparticules et cosmologie
• Date : Soutenance le 29/09/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département de physique des particules (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Jury : Président / Présidente : Tiina Suomijärvi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Francesco Longo, Frédérique Marion, Jean-Pierre Ernenwein, Andreas Zech
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Francesco Longo, Frédérique Marion

Mots clés

Mots clés contrôlés

Astronomie multimessager

Ciel transitoire

Rayons gamma

Sursauts radio rapides

Ondes gravitationnelles

Sursauts gamma

Mots clés libres

Phénomène transitoire

Sursaut gamma

Onde gravitationnelle

Sursaut radio rapide

Multimessager

Rayon gamma

Transient

GRB

GW

FRB

Multi-messenger

Gamma ray

Résumé

Je recherche des émissions de très hautes énergies (VHE) à partir de trois types de sources transitoires : les ondes gravitationnelles, les sursauts gamma qui peuvent en émerger et les sursauts radio rapides. Pour les ondes gravitationnelles, la localisation des évènements sur plusieurs dizaines de degrés dans le ciel nécessite un traitement spécial pour le suivi. J'optimise des stratégies de suivi ondes gravitationnelles qui reposent sur la maximisation de la probabilité de détection d'émission électromagnétique homologue, soit en utilisant uniquement des cartes de localisation, soit en utilisant aussi la distribution locale des galaxies dans l'Univers. Les outils développés sont testés et évalués. À l'aide de ces outils et des compétences acquises, je développe un système de réponse automatique aux alertes ondes gravitationnelles pour les télescopes H.E.S.S. et LST et aux alertes UTMOST pour H.E.S.S. Je contribue à la mise à jour du programme de H.E.S.S. de suivi de sursaut gamma. Avec les outils mis en place, H.E.S.S a observé 6 événements ondes gravitationnelles, dont 4 fusions de trous noires. D'autres sources transitoires sont également observées par H.E.S.S., dont le sursaut gamma GRB 190829A, la fusion d'étoile à neutron GW170817 (à long terme aussi), des sursauts radio rapides et la source SGR 1935+2145. GRB 190829A est le troisième sursaut gamma détecté à très hautes énergies au sol. Les données VHE, sont analysées (ainsi que les données X et UV pour FRB 20171019A) pour les autres sources. Aucune émission significative de VHE n'a été trouvée durant les suivis des fusions de trous noirs et durant la campagne d'observation à long terme de GW170817, ainsi que pour les sursauts radio rapide et la source SGR 1935+2154. Je déduis des limites supérieures et publie ces résultats. Les limites déduites permettent de contraindre le champ magnétique dans le vestige de GW170817, de placer des limites supérieures sur l'émission VHE persistante et transitoire provenant des sursauteurs gamma mou, et d'établir des perspectives pour O4.

I hunt very-high-energy (VHE) emission from three classes of transient sources: Gravitational waves (GW), their possible gamma-ray bursts (GRB) counterparts and fast radio bursts (FRB). I tackle three types of challenges: Preobservation, focusing on efficient scheduling, observation planning and fast telescope response; in-observation, focusing on efficient data acquisition on the transients as an expert on call; post-observation, focusing on efficient data analysis in the search for a significant signal. For the GW events, the poor localization requires a special treatment for the follow-up. I work on the optimization of GW follow-up strategies that rely on the maximization of the probability of detecting counterparts to transient GW events either by using solely GW localization maps or by correlating the local distribution of the galaxies in the Universe with GW maps. The tools are combined in a GW scheduler, tested and assessed. Using the developed tools and acquired skills, I develop automatic response schemes to GW alerts for the H.E.S.S. and LST telescopes and a response to UTMOST FRB alerts for H.E.S.S. I also contribute to the update of the GRB program in H.E.S.S. on the technical follow-up front. With the implemented tools, H.E.S.S observed 6 GW events, of which 4 BBH mergers. Other transient sources, for which I am involved in the analysis, are observed also by H.E.S.S.: GRB 190829A, GW170817 (long-term), FRB events and the soft gamma-ray repeater (SGR) SGR 1935+2145. GRB 190829A is the third GRB to be observed at VHE energies on the ground and the second one by H.E.S.S. The VHE data (in addition to the Xray and UV data for FRB 20171019A) is analysed for the other transients. No significant VHE emission was found during the BBH merger follow-up and the GW170817 long-term follow-up observation campaigns. The same non-detection was found for the FRBs and SGR 1935+2154. For those, a search for variability on the minutes to sub-seconds scale did not lead to any significant detection either. Upper limits are derived from the observations of the transients presented above. These results are published and the upper limits permit to constrain the magnetic field in the GW170817 remnant, to constrain the persistent and transient emission from SGR bursts and to derive prospects for the fourth GW observation run, O4.