Caractérisation d'un détecteur NIR et simulation des performances de la caméra CAGIRE pour le suivi des sursauts gamma détectés par la mission SVOM

Characterisation of a NIR detector and simulation of the performance of CAGIRE camera for follow-up of gamma ray bursts detected by the SVOM mission

• Auteur / Autrice : Alix Nouvel de la Flèche
• Direction : Jean Luc Atteia, Olivier Gravrand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'univers
• Date : Soutenance le 05/10/2023
• 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 : Alain Klotz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean Luc Atteia, Olivier Gravrand, Didier Tiphene, Emeric Le Floch, Véronique Buat, Susanna Vergani
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Didier Tiphene, Emeric Le Floch

Mots clés

Mots clés contrôlés

Télescope spatial SVOM

Sursauts gamma

Mots clés libres

Astrophysique

Instrumentation

Détecteur NIR

Astrophysics

Instrumentation

NIR detectors

Résumé

Les sursauts ƴ, comptant parmi les phénomènes les plus lumineux de l'univers, représentent un moyen unique de sonder celui-ci, et particulièrement à des distances où son contenu reste difficile à étudier. Observer les sursauts ƴ, notamment les plus lointains (z > 6), permettra une meilleur compréhension de leur origine et des mécanismes physiques qui les génèrent, mais également une meilleure connaissance de l'univers jeune et des objets qui le composent. Cependant, les sursauts les plus lointains restent difficiles à détecter. Leur observation nécessite des infrastructures adaptées à leur courte durée, à leur caractère imprévisible et à leur manifestation dans une large gamme de longueurs d'onde, dont l'infrarouge. La mission SVOM (Space based multiband astronomical Variable Objects Monitor), qui devrait être lancée début 2024, répond à ce besoin grâce à la synergie entre un satellite et un segment sol. Le satellite étant capable de localiser précisément les sursauts et d'en étudier l'émission prompte, communiquera rapidement la position du sursaut aux instruments au sol, leur permettant d'effectuer un suivi rapide. Le segment sol, composé de télescopes robotiques comme COLIBRI, permettra d'effectuer un suivi rapide de l'émission rémanente et de donner une estimation du redshift. Parmi ces télescopes, COLIBRI, un télescope alt-azimutal robotique de 1,3 m de diamètre sera installé à l'OAN (Observatorio Astronómico Nacional), au Mexique, et équipé de deux caméras visibles constituant l'instrument DDRAGO, et d'une caméra infrarouge CAGIRE. CAGIRE, qui utilise un détecteur ALFA développé par la société LYNRED et le CEA-LETI, permettra d'effectuer des observations dans les bandes J et H, et d'étudier des sursauts ƴ jusqu'à un redshift de z ~ 11, quand l'univers avait seulement 3% de son âge actuel. Ma thèse s'inscrit dans le contexte de la caractérisation de la caméra CAGIRE, au cours de son développement. J'ai tout d'abord évalué les performances du détecteur ALFA, en traitant des données de caractérisations acquises au CEA-IRFU. Ces études ont permis dans un premier temps de démontrer la nécessité d'obtenir le détecteur ALFA le plus performant, dont les caractéristiques sont en accord avec les besoins scientifiques de la caméra. J'ai également modélisé le fonctionnement du détecteur et montré que les caractéristiques du détecteur (bruit, courant d'obscurité, gamme dynamique...) étaient adaptées aux besoins de CAGIRE. En parallèle de ces études, j'ai participé à la caractérisation de la chaîne de lecture de la caméra à l'IRAP, et à la mise en place des tests à effectuer dans le cadre de la calibration du détecteur pour les besoins de CAGIRE au CPPM. Les résultats des analyses théoriques et la compréhension du fonctionnement du détecteur m'ont ensuite conduit à développer et à valider un pipeline de pré-traitement des images de CAGIRE qui soit robuste, rapide, et adapté aux besoins des traitements astrophysiques. Ce pipeline permet notamment de corriger les non-linéarités du détecteur, le bruit de mode commun, l'impact des rayons cosmiques ou encore le signal de persistance des acquisitions précédentes. Une meilleure compréhension de ces effets m'a également permis d'adapter un simulateur de télescope, afin qu'il prenne en compte les spécificités du détecteur et de la caméra. Le simulateur permet de générer des rampes de signal représentatives des données de CAGIRE, en prenant en compte les effets du ciel et les effets du détecteur. Les résultats de ces simulations ont notamment mené à la validation du pipeline de traitement des images de CAGIRE, qui permettra ainsi de fournir des cartes de signal fiables pour les études astrophysiques futures. Finalement, grâce à cette thèse, nous sommes confiants quant au bon fonctionnement et aux performances du détecteur ALFA pour CAGIRE.

Gamma-ray bursts (GRBs) are among the brightest phenomena in the universe, and unique tools to probe the universe at distances yet difficult to study. Observing GRBs, and particularly the most distant ones (z > 6), will allow a better understanding of their origin and of the physical mechanisms producing them, but also a better knowledge of the young universe, and the objects composing it. However, the most distant GRBs remain difficult to detect. Their observation requires infrastructures adapted to their short duration, their unpredictable behavior, and their manifestation in a broad range of wavelengths, including infrared. The SVOM mission (Space based multiband astronomical Variable Objects Monitor) expected to be launched at the beginning of 2024, answers this need thanks to the synergy between a satellite and a complex ground segment. The satellite, able to localize precisely GRBs and to study their prompt emission, quickly provides the GRB position, allowing ground instruments to perform their fast follow-up. The ground segment, composed of robotic telescopes, will allow to perform the follow-up of the afterglow and to provide an estimation of its redshift. Among these telescopes, COLIBRI, a 1.3 m alt-azimutal robotic telescope, will be located at OAN (Observatorio Astronómico Nacional) in Mexico, and will be equipped with two visible cameras composing the DDRAGO instrument, and an infrared camera, CAGIRE. CAGIRE, which uses an ALFA detector developed by the LYNRED company and CEA-LETI, will allow to observe in the J and H photometric channels, and to study GRBs up to a redshift z ~ 11, when the universe was only 3% of its present age. My PhD takes place in the context of the characterization of the CAGIRE camera, during its development. I first assessed the performances of the detector, processing characterization data acquired at CEA-IRFU. These studies allowed me to demonstrate the need to get the most efficient ALFA detector, whose characteristics are compliant with the scientific requirements of the camera. I could also model the operation of this detector and show that its characteristics (noise, dark current, dynamic range...) are consistent with CAGIRE requirements. While doing these studies, I also participated to the characterization of the readout system of the camera, at IRAP, and to the definition of the test plan of the detector at CPPM, for CAGIRE needs. The theoretical analysis and the understanding of the detector operation led me to develop and validate a pre-processing pipeline of CAGIRE images, which is robust, quick, and adapted for the astrophysics processing needs. This pipeline enables to correct the detector non-linearities, the common mode noise, the impact of cosmic rays and the persistent signal from previous acquisitions. The detailed understanding of these effects also allowed me to adapt a telescope simulator, in order to take into account the camera specificities. The simulator allows to create signal ramps representing CAGIRE data, while considering sky and detector effects. The results from these simulations led to validate the pre-processing of CAGIRE images, ensuring to provide relevant signal maps for further astrophysics studies. Finally, thanks to this PhD, we are confident about the operation and performance of the ALFA detector on CAGIRE.