Les instruments spatiaux ECLAIRs et GRM de SVOM : étalonnage en orbite et analyse spectrale des sursauts gamma

The ECLAIRs and GRM space instruments of SVOM : in-orbit calibration and spectral analysis of gamma-ray bursts

• Auteur / Autrice : Aurélia Maïolo
• Direction : Frédéric Piron
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et Astrophysique
• Date : Soutenance le 27/10/2023
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Univers et Particules de Montpellier (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Bertrand Plez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Piron, Bertrand Plez, Frédéric Daigne, Philippe Laurent, Jean Luc Atteia
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Daigne, Philippe Laurent

Mots clés

Mots clés contrôlés

Orbites

Étalonnage en énergie

Télescope spatial SVOM

Sursauts gamma

Mots clés libres

Inter-Étalonnage

Svom

ECLAIRs

Grm

Sursauts gamma

Cross-Calibration

Svom

ECLAIRs

Grm

Gamma-Ray bursts

Résumé

L'observatoire multi-longueurs d'onde SVOM est dédié à l'étude des phénomènes transitoires dans l'Univers, en particulier des sursauts gamma, phénomènes extrêmement lumineux et énergétiques qui sont au coeur de l'astrophysique multi-messagers. D'origine extra-galactique, ils apparaissent suite à l'effondrement gravitationnel d'une étoile massive en rotation rapide, ou à la coalescence de deux objets compacts dans un système binaire. Mon travail porte sur l'étalonnage en orbite du télescope à ouverture codée ECLAIRs (4-150 keV) et du moniteur gamma GRM (0.05-5 MeV) de SVOM, par l'observation de sources astrophysiques connues, et sur les méthodes d'analyse spectrale des sursauts gamma les plus brillants, qui déclencheront un repointé du satellite. J'ai contribué aux logiciels de simulation de données d'observation, en particulier j'ai créé avec GEANT4 la banque d'évènements du GRM pour chacune des trois composantes principales du fond instrumental (fond cosmique en rayons X, albédo et réflexion terrestres). Avec ces outils, j'ai testé différentes méthodes de modélisation du fond par la technique de comptage, qui sera nécessaire à l'analyse des sursauts gamma détectés par ECLAIRs et le GRM. Tout d'abord, j'ai montré que la méthode usuelle qui consiste à ajuster un modèle simple temporel ne fonctionne pas dans divers scénarios tels qu'un repointé de la plateforme, ou encore l'étude de sources non transitoires. En second lieu, j'ai élaboré deux modèles reproduisant les variations du fond au cours d'un repointé, en particulier un modèle physique à deux paramètres libres. Celui-ci permet, pour un sursaut de fluence moyenne à élevée, de reconstruire un flux intégral sans biais, avec une précision de 1% à 9% en combinant les instruments ECLAIRs et GRM. Ces performances spectroscopiques satisfont totalement les exigences scientifiques de la mission. Enfin, seul le modèle physique est adapté à l'étude de sources brillantes non transitoires pour l'inter-étalonnage ECLAIRs / GRM. J'ai simulé et analysé les trois meilleures sources candidates autour de leurs émersions et occultations par la Terre. La nébuleuse du Crabe est très intense, mais nécessite l'utilisation du modèle de fond pour le GRM. Son analyse spectrale montre de très bons résultats pour ECLAIRs avec un flux précis à 2%. L'estimation du fond introduit un biais systématique dans le spectre mesuré avec l'un des trois détecteurs constituant le GRM, qui n'est cependant pas significatif lorsque les trois détecteurs sont combinés. Dans le cas de Cygnus X-1, dont l'intensité est plus de deux fois moindre que celle de la nébuleuse du Crabe, la reconstruction du flux de la source avec le GRM ne satisfait les exigences de la mission, avec un biais limité à 12 %, qu'en supposant connues les incertitudes sur le fond à quelques pourcents près, ce qui paraît irréaliste. Enfin, l'analyse du pulsar du Crabe ne nécessitant pas l'application du modèle de fond, le flux mesuré par chaque instrument est précis à quelques pourcents en une dizaine d'orbites. Mon travail montre ainsi que l'étude de ces trois sources sera possible avec une exposition raisonnable, surtout la nébuleuse et le pulsar du Crabe. Leur analyse spectrale devrait atteindre la précision statistique requise pour révéler puis corriger les potentielles erreurs systématiques dues aux incertitudes sur la réponse des instruments. Le modèle de fond devra cependant être validé avec les données réelles après le lancement du satellite, au même titre que les outils de simulation.

The SVOM multi-wavelength observatory is dedicated to the study of transient phenomena in the Universe, in particular gamma-ray bursts (GRBs), which are extremely luminous and energetic phenomena at the core of multi-messenger astrophysics. GRBs are extra-galactic sources and result from the gravitational collapse of a fast rotating massive star, or the coalescence of two compact objects in a binary system. My work focuses on the on-orbit calibration of the ECLAIRs coded aperture telescope (4-150 keV) and the GRM gamma-ray monitor (0.05-5 MeV) onbard SVOM, by observing known astrophysical sources, and on the spectral analysis of the brightest GRBs, which will trigger a satellite repointing. I contributed to the software used to simulate observational data, in particular I built an event bank with GEANT4 for the GRM, which includes the three main components of instrumental background (cosmic X-ray background, Earth albedo and reflection). With these tools, I have tested different methods of background modeling using the counting technique, which will be necessary for the analysis of the GRBs detected by ECLAIRs and the GRM. Firstly, I have shown that the usual fitting method that is based on a simple temporal model does not work in various scenarios, such as platform repointings, or for the study of non-transient sources. Secondly, I have developed two models to reproduce the temporal variations of the background during a repointing, in particular a physical model with two free parameters. For a medium- to high-fluence burst, this model leads to an unbiased integral flux with an accuracy of 1% to 9% when combining ECLAIRs and GRM. These spectroscopic performances fully satisfy the mission scientific requirements. Finally, only the physical model is suited to the study of non-transient bright sources for ECLAIRs / GRM inter-calibration. I have simulated and analyzed the three best candidate sources around their emersions and occultations by the Earth. The Crab nebula is very intense, but requires the use of the GRM background model. Its spectral analysis shows very good results for ECLAIRs, with a flux accuracy of 2%. The background estimation introduces a systematic bias in the spectrum measured with one of the three GRM detectors, which is however not significant when the three detectors are combined. In the case of Cygnus X-1, whose intensity is less than half of the Crab nebula, the reconstruction of the source flux with the GRM fulfills the mission requirements, with a bias limited to 12%, only by assuming that the uncertainties on the background are known to within a few percent, which seems unrealistic. Finally, as the analysis of the Crab pulsar does not require the application of the background model, the flux measured by each instrument is accurate to within a few percent over a dozen orbits. My work shows that it will be possible to study these three sources with reasonable exposure, especially the Crab nebula and pulsar. Their spectral analysis should achieve the statistical accuracy that is needed to reveal then to correct potential systematic errors due to uncertainties in instrument response. However, the background model will have to be validated with real data after the satellite launch, as will the simulation tools.