Detection of high-energy transients with SVOM-ECLAIRs

Détection de sources transitoires de haute énergie avec l'instrument spatial SVOM-ECLAIRs

• Auteur / Autrice : Benjamin Arcier
• Direction : Jean Luc Atteia
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique, Sciences de l'Espace, Planétologie
• Date : Soutenance le 07/10/2022
• 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-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-François Olive
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean Luc Atteia, Jean-François Olive, Andrea Goldwurm, Frédéric Daigne
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bertrand Cordier, Giulia Stratta

Mots clés

Mots clés contrôlés

Télescope spatial SVOM

Physique des hautes énergies

Sursauts gamma

Mots clés libres

Sursauts gamma

ECLAIRs

Instrumentation hautes énergies

SVOM

Trous noirs

Hygh-energy instrumentation

SVOM

ECLAIRs

Gamma-ray bursts

Black holes

Résumé

Les sursauts gamma sont des phénomènes transitoires extragalactiques qui continuent d'intriguer les scientifiques, 50 ans après leur découverte. Associés à des événements violents comme la mort d'étoiles massives, ils se décomposent en deux phases : l'émission prompte, une bouffée de photons gamma durant quelques secondes, et l'émission rémanente, détectable dans les longueurs d'onde des rayons X, du visible et de la radio jusqu'à quelques jours après l'émission prompte. Comptant parmi les phénomènes les plus lumineux de l'Univers, les sursauts gamma sont extrêmement intéressants : ils font partie des sources cosmiques les plus lointaines observées, représentant un moyen unique de sonder les populations stellaires et le milieu extra- et intra-galactique aux plus hauts redshifts. Cependant, en raison de leur courte durée et de l'imprévisibilité de leur apparition dans le ciel, l'étude des sursauts gamma reste un défi, même pour l'astronomie moderne. Le satellite SVOM, qui sera lancé fin 2023, emporte deux instruments à champ large (ECLAIRs et GRM) et deux à champ étroit (MXT et VT) pour détecter, caractériser et localiser les émissions promptes et rémanentes des sursauts gamma. SVOM bénéficiera aussi d'un suivi au sol grâce à trois observatoires terrestres dédiés (GWAC, C-GFT et COLIBRI) et d'un réseau d'antennes qui permet d'alerter la communauté scientifique quelques minutes seulement après la détection du sursaut gamma. Mon travail s'est concentré sur ECLAIRs, un imageur spatial dans le domaine des rayons X durs. Grâce à sa caméra, son masque codé et son ordinateur embarqué, il détectera et localisera en temps quasi réel les émissions promptes des sursauts gamma. De part son seuil bas en énergie, ECLAIRs sera parfaitement adapté à la détection de populations de sursauts gamma intéressantes telles que les sursauts gamma lointains. Au cours de ma thèse, j'ai évalué les performances d'ECLAIRs dans l'espace : j'ai combiné les caractéristiques instrumentales mesurées pendant les calibrations avec des modèles de l'émission du bruit de fond du ciel, sursauts gamma typiques et des sources X connues pour simuler avec précision les données attendues. Ces simulations ont été utilisées par exemple pour calculer le taux de détection de sursauts gamma attendu pendant la mission et comme support pour évaluer l'impact scientifique de divers paramètres de configuration de l'instrument. Elles m'ont également servi de cadre pour développer un algorithme de détection au sol complémentaire aux logiciels de détection embarqués, puisque ECLAIRs aura la capacité unique de transférer au sol tous les événements détectés à bord. Une autre application est l'évaluation de la sensibilité d'ECLAIRs aux événements transitoires courts de haute énergie de notre Univers local (z<0.3). Après avoir fourni une caractérisation de cette population, j'ai démontré que ECLAIRs sera capable d'en détecter la grande majorité. Je discute également des synergies potentielles avec d'autres instruments de SVOM et les observatoires multi-messagers. Dans le cadre d'un travail parallèle, j'ai exploré les connexions possibles entre les trous noirs créés lors des sursauts gamma longs et ceux impliqués dans les fusions de trous noirs binaires observées par les détecteurs d'ondes gravitationnelles. En comparant leur distribution en redshift et le taux attendu dans l'Univers local, nous avons montré que les sursauts gamma longs et les trous noirs détectés par GW sont très probablement deux populations distinctes. Pour conclure, ma thèse a fourni un ensemble complet d'outils de simulation pour ECLAIRs avec des applications concrètes telles que le test du logiciel de vol et des pipelines SVOM. J'ai également montré que ECLAIRs sera capable de détecter et de localiser des populations uniques de sursauts gamma et d'autres évènements transitoires courts, permettant leur caractérisation multi-longueurs d'onde et multi-messagers par SVOM et les observatoires du monde entier.

Gamma-Ray Bursts (GRBs) are extra-galactic transient phenomena that continue to puzzle scientists, 50 years after their discovery. Associated to violent events like the death of massive stars, they consist of two phases: the prompt emission, a burst of gamma-ray photons lasting typically few seconds and the afterglow, detectable in X-ray, visible and radio wavelengths up to few days after the prompt GRB. Being some of the most luminous phenomena in the Universe, GRBs are extremely interesting: they are among the farthest cosmic sources observed, representing a unique mean to probe stellar populations and the intra and inter-galactic medium at the highest redshifts. However, because of their short duration, their unpredictable times and sky localization, the study of GRBs remains challenging, even for modern astronomy. The Sino-French mission SVOM, to be launched end of 2023, encompasses two wide-field (ECLAIRs and GRM) and two narrow-field (MXT and VT) instruments for detecting, characterizing and localizing the GRB prompt and afterglow emissions. SVOM also benefits from three dedicated ground telescopes (GWAC, C-GFT and COLIBRI) and an antennae network, allowing to alert the scientific community within few minutes after the prompt emission detection for an optimal follow-up. My work focused on ECLAIRs, the wide-field hard X-ray telescope of SVOM. Using its coded mask and on-board computer, ECLAIRs will detect in near real-time the GRB prompt emission and get a crude localization from it. Thanks to its low energy threshold at 4 keV, the telescope will be perfectly suited for the detection of interesting GRB populations such as X-ray Flashes or high-redshift GRBs. My thesis has been focused on the evaluation of ECLAIRs performances in space: I have combined instrumental effects with models of the background sky emission and GRB/X-ray sources to accurately simulate the instrument data stream. These simulations have been used for example to evaluate the sensitivity of ECLAIRs to various types of transients, to calculate the GRB detection rate expected during the mission, and as a support to evaluate the science impact of various configuration parameters of the instrument. They have also been used as a framework for developing alternative trigger algorithm solutions to the on-board software, motivated by the unique ability of ECLAIRs to transfer all the events recorded on-board to the ground. Relying on simulated background orbits and GRBs, I have used a neural-network architecture suited for the anomaly detection on time series. This method may become part of an offline trigger able to detect transients missed by the on-board algorithm. Another application presented in the manuscript is the evaluation of ECLAIRs sensitivity to short high-energy (HE) transients coming from our local Universe (z<0.3). After providing a characterization of this population, we demonstrate that ECLAIRs will be able to detect the large majority of it. We also discuss the potential synergies with other SVOM instruments and multi-messenger observatories. As a side work, I have explored the possible connections between the BHs created during long GRBs and the mergers of binary black holes observed through gravitational waves (GW) emissions. This study was motivated by the release of the latest GW catalog GWTC-3, containing 79 BH mergers. From the comparison of their redshift evolution and expected rate, we have shown that these two populations are most probably distinct. To conclude, my thesis has provided a complete set of simulation tools for ECLAIRs with concrete applications such as the testing of the flight software and the SVOM pipelines. I have shown that ECLAIRs will be able to detect and localize unique populations of GRBs and other short high-energy transients, enabling their multi-wavelength and multi-messenger characterization by SVOM and worldwide astronomical observatories.