Les environnements à l'origine des sursauts gamma longs : préparation à la mission SVOM

The environments giving birth to long Gamma Ray Bursts : preparing the SVOM science

• Auteur / Autrice : Benjamin Schneider
• Direction : Emeric Le Floch
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 17/11/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Astrophysique Instrumentation Modélisation (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Verstraete
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Etienne Pointecouteau, Johan Richard, Françoise Combes, Pierre-Alain Duc
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Etienne Pointecouteau, Johan Richard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Évolution stellaire

Spectroscopie d'absorption

Spectroscopie astronomique

Astronomie des rayons X

Télescopes spatiaux

Galaxies

Sursauts gamma

Mots clés libres

Sursauts gamma

Structure des galaxies

Formation stellaire

SVOM

Suivi des alertes

MXT

Gamma-Ray bursts

Galaxies structure

Star formation

SVOM

Follow-Up

MXT

Résumé

Les sursauts gamma (GRBs) sont de brefs flashs de rayons gamma causés par des jets ultra-relativistes après la formation d'un trou noir stellaire, et représentent les phénomènes les plus énergétiques connus dans l'Univers. La future mission franco-chinoise SVOM sera dédiée à l'observation des GRBs et ouvrira une nouvelle ère dans le domaine du ciel transitoire et multi-messager. Grâce à une meilleure synergie entre la détection des GRBs par les instruments à bord du satellite et leur suivi par les télescopes au sol, SVOM promet d'apporter un nouveau regard sur ces phénomènes extrêmes. Dans cette thèse, je me suis intéressé à la préparation et à l'exploitation scientifique de la mission à long, moyen et court terme.À long terme : parmi la population des GRBs, une sous-population constituée des sursauts gamma longs (LGRB) s'est révélée être associée à la fin de vie des étoiles massives, ce qui en fait des traceurs prometteurs de la formation stellaire cosmique jusqu'à de très grands décalages spectraux (z > 8). Cependant, des études ont suggéré que certaines conditions semblent être requises pour former un LGRB, liée par exemple à la faible métallicité du progéniteur ou de son environnement proche. À travers mon travail, j'ai étudié l'influence de la densité stellaire sur l'efficacité de formation des LGRBs. Puisque ces phénomènes sont extragalactiques, ce type d'étude ne peut se faire qu'à travers les propriétés globales de la galaxie hôte. En comparant un échantillon de galaxies hôtes de LGRBs à un échantillon de galaxies à formation d'étoiles obtenu à partir d'un sondage profond de l'Univers, j'ai montré que les LGRBs ont tendance à être observés plus fréquemment dans des galaxies compactes ayant une densité de formation d'étoiles et de masse stellaire plus élevées que la normale.À moyen terme : la constitution du nouvel échantillon de GRBs proprement caractérisés et identifiés par la mission SVOM nécessitera un suivi efficace des alertes par la communauté scientifique de SVOM. Dans ce but, j'ai pris part de manière active au programme mené par le consortium Stargate à l'aide du Very Large Telescope pour conduire le suivi des GRBs actuellement détectés par la mission Swift. J'ai également joué un rôle important dans la récente mise en place du suivi de ces alertes avec le spectro-imageur MISTRAL installé sur le T193 de l'Observatoire de Haute-Provence.À court terme : SVOM effectuera un suivi systématique des GRBs dans le domaine des rayons X en utilisant un télescope X à bord du satellite (MXT). Dans ce contexte, j'ai participé activement à la calibration en énergie du modèle de vol de MXT et à la mise en place d'un traitement optimisé des données. Ceci a permis de démontrer l'excellente performance spectrale de MXT avant son lancement. Une fois en vol, ces traitements permettront de tirer le meilleur parti des données pour leur exploitation scientifique.

Gamma-Ray Bursts (GRBs) are brief flashes of gamma-ray photons produced by ultra-relativistic jets after a newly born stellar black hole, and represent the most energetic phenomena known in the Universe. The forthcoming Sino-French mission SVOM will be dedicated to the observation of GRBs and will open a new era in the time-domain and multi-messenger astrophysics. With a better synergy between the detection of GRBs by instruments on board the satellite and their follow-up with ground telescopes, SVOM will offer a new insight on these extreme phenomena. In this thesis, I focused on the preparation and the scientific exploitation of the mission on long, medium and short term.Long-term: among the GRB population, a subpopulation known as Long Gamma-Ray Bursts (LGRBs) is believed to be associated with the death of massive stars, which makes them promising tracers of the cosmic star formation history up to very high redshift (z > 8). However, previous work suggested that some conditions seem to be required to form an LGRB, related for instance to the low metallicity of the progenitor or its surrounding environment. Through my work, I studied the influence of the stellar density on the efficiency of LGRB formation. Given that these phenomena are extragalactic, the analysis can only be performed through the global properties of the host galaxy. By comparing a sample of LGRB host galaxies to a sample of star-forming galaxies obtained from a deep surveys, I showed that LGRBs tend to be observed more frequently in compact galaxies with a density of star formation and stellar mass higher than found in galaxies of the field.Mid-term: the build-up of the new sample of well-characterized GRBs identified with SVOM will require an efficient follow-up by the SVOM science community. In this goal, I actively contributed to the program led with the Very Large Telescope by the Stargate consortium to follow-up the GRBs currently detected by the Swift satellite. I also played a key role in setting up the recent follow-up of these alerts with the MISTRAL spectro-imager mounted on the T193 at the Observatoire de Haute-Provence.Short-term: SVOM will perform a systematic X-ray follow-up of GRBs using the X-ray telescope on board the satellite (MXT). In this context, I actively participated in the energy calibration of the MXT flight model and in the development of an optimized data processing. This demonstrated the excellent spectral performance of MXT before its launch. Once in flight, this processing will ensure high quality reduced products for scientific analysis.