Développement d'un prototype de télescope Compton et astronomie gamma

Prototype for a Compton telescope and gamma-ray astronomy

• Auteur / Autrice : Adrien Laviron
• Direction : Clarisse Hamadache, Vincent Tatischeff
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique nucléaire et nucléosynthèse
• Date : Soutenance le 23/05/2022
• 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 : Laboratoire de physique des deux infinis Irène Joliot-Curie (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Piera Luisa Ghia
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Clarisse Hamadache, Vincent Tatischeff, Frédéric Piron, Pierre Jean, Rui Da Silva Pereira
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Frédéric Piron, Pierre Jean

Mots clés

Mots clés contrôlés

Astronomie multimessager

Astrophysique nucléaire

Astronomie spatiale

Astronomie -- Instruments

Ballons en astronomie

Astronomie gamma

Sursauts gamma

Mots clés libres

Astroparticule

Ballon stratosphérique

Télescope spatial

Astronomie gamma

Astrophysique nucleaire

Sursaut gamma

Nuclear astrophysics

Gamma astronomy

Instrumentation

Space telescope

Stratospheric balloon

Gamma-Ray burst

Résumé

Les sursauts gamma sont les évènements les plus lumineux de l'univers, détectables à des distances cosmologiques. Ils sont associés à la mort d'étoiles massives ou à la coalescence de systèmes binaires d'étoiles à neutrons, les deux émettant des jets ultra-relativistes dans lesquel l'émission prompte, principalement composée de rayons gamma, est produite. Une seconde émission, appelée émission rémanente et détectable dans tout le spectre électromagnétique, est émise lorsque le jet ralentit dans le milieu environnant.Cependant, le mécanisme exact permettant de générer l'émission prompte des GRBs est encore largement débattu. Une mesure de la polarisation de ce rayonnement gamma permettrait d'apporter un éclairage nouveau sur la question.COMCUBE est un projet du programme européen AHEAD2020 visant à développer un télescope et polarimètre observant dans la bande d'énergie du MeV, en utilisant la diffusion Compton. Ce projet vise à lancer une constellation de CubeSats, capable d'observer le ciel à la recherche de sursauts gamma et de mesurer la polarisation linéaire des plus brillants.Ce travail se concentre sur le développement du télescope et polarimètre Compton. J'y présente les nouveaux développements autour d'un module calorimètre utilisé dans l'instrument proposé. Il utilise un cristal scintillant en bromure de cérium couplé optiquement à un détecteur de lumière pixelisé, et permet de reconstruire la position d'interaction du rayon gamma (avec une précision d'environ 2 mm) grâce à des méthodes d'intelligence artificielle.Nous avons développé et testé un premier prototype du télescope Compton de COMCUBE. Il utilise un détecteur à piste double-face en silicium et un module calorimètre. Je présente la première image Compton obtenue avec ce prototype. Ces données montrent un bon accord avec la simulation.Finalement, je présente les résultats du travail de simulation qui a été fait pour concevoir l'instrument et obtenir une première estimation des performances. COMCUBE détectera plusieurs sursauts gamma par semaine (et jusqu'à un par jour suivant les constellations) et mesurera la polarisation d'une dizaine de sursaut gamma par an.

Gamma-ray bursts (GRBs) are the most luminous events in the universe, detectable over cosmological distances. They are associated with the death of massive stars or with the gravitationnal merger of binary neutron star systems, both events emitting an ultra-relativistic jet in which the gamma-ray dominated prompt emission is produced. Then, the jet slows down in the surrounding medium and generates the so-called afterglow emission, detectable over the entire electromagnetic spectrum.However, the exact mecanism through which the GRB prompt emision is generated is still largely debated. A polarization measurement of the gamma-ray emission would bring a better understanding of these objects.COMCUBE is a project of the European programme AHEAD2020 aiming at the development of a gamma-ray telescope and polarimeter in the MeV range, based on Compton scattering. This project aims at launching a CubeSat constellation, capable of monitoring the gamma-ray sky to look for gamma-ray bursts, and measure the linear polarization of the brightest ones.This work focuses on the development of the Compton telescope and polarimeter. Here I present new developments of a calorimeter module used in the proposed instrument. It uses a cerium bromide scintillating cristal optically coupled to a pixelated photo-sensor, and allows to reconstruct the position of interaction of the gamma-ray (with a precision of approximately 2 mm) by using machine learning techniques.We developed and tested a first prototype of COMCUBE's Compton telescope. It uses double-sided silicon stripped detectors and a calorimeter module. I present the first Compton image obtained with that prototype. Data show a good agreement with simulation.Finally, I present the results of the extensive simulation work that has been conducted to design the scientific payload and to give a first assessment of the performances of COMCUBE. It will detect several GRBs per week (and up to one per day, depending on the constellation) and measure the polarization of approximately ten GRBs per year.