Étude de l'origine de l'émission à très haute énergie au centre de notre galaxie et connexion possible avec Sgr A*, notre plus proche trou noir super-massif

Studying the very high energy emission at the centre of our galaxy and its possible connection to Sgr A*, our closest supermassive black hole

• Auteur / Autrice : Samuël Zouari
• Direction : Régis Terrier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'univers
• Date : Soutenance le 06/03/2023
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AstroParticule et Cosmologie (Paris ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Sylvain Chaty
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvain Chaty, Marianne Lemoine-Goumard, Loïc Rolland, Francesca Calore
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marianne Lemoine-Goumard, Loïc Rolland

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayonnement cosmique

Astronomie gamma

Physique des hautes énergies

Trous noirs (astronomie)

Centre galactique

Mots clés libres

Centre galactique

Trou noir

Sgr A*

Hautes énergies

Rayons gamma

HESS

CTA

Analyse 3D

Rayons cosmiques

Galactic centre

Black hole

Sgr A*

High energies

Gamma rays

HESS

CTA

3D analysis

Cosmic rays

Résumé

Le centre de notre Galaxie abrite un trou noir super massif appelé Sgr A*. L'expérience HESS a observé la région en rayons gamma de très haute énergie, et a détecté source compacte HESS J1745-290 à une position compatible avec le trou noir, ainsi qu'une émission diffuse qui a été interprétée comme étant due à la présence d'un excès de particules énergétiques fraîchement injectées par un PeVatron. Un point clé quant à l'origine de l'émission diffuse concerne l'établissement de l'association entre Sgr A* et la source au Centre : sa possible extension, son comportement spectral ainsi que ses possibles variations temporelles. En effet, il existe deux objets compatible avec la position de HESS J1745-290, pouvant théoriquement émettre en rayons gamma à très haute énergie : Sgr A* et la nébuleuse de pulsar G359,95-0,04. Cette thèse se propose d'investiguer ces questions aussi bien d'un point de vue théorique qu'à travers l'analyse des très nombreuses données prises par HESS. Ce travail permettra également de dégager les perspectives pour les premières années d'observation du Centre Galactique avec CTA. En reprenant un modèle d'émission gamma via l'interaction en rayons cosmique et nuages moléculaire, et en y incorporant une description spatiale gaz cible, nous avons pu modéliser l'évolution temporelle du flux gamma au TeV à partir d'un spectre d'injection de protons, d'une hypothèse sur la vitesse de diffusion de ceux-ci et d'un scénario d'injection de particules (2 éruptions il y a 100 et 200 ans). Nous trouvons que la variations de flux correspondant à nos hypothèses est de l'ordre de 10 à 15 % sur la période d'observation de HESS. En ce qui concerne l'analyse des données HESS à proprement parler, nous commençons par la mise en pratique de l'analyse spectro-morphologique (ou analyse 3D) récemment mise au point pour HESS, appliquée au Centre Galactique. Cela nous permet d'obtenir le premier spectre intrinsèque de la source HESS J1745-290, c'est-à-dire séparé de toute contribution de l'émission diffuse. Nous effectuons au passage une ré-estimation de l'amplitude des erreurs systématiques de HESS sur les paramètres spectraux, en utilisant notamment les nouveaux outils numériques développés dans le cadre de la librairie python gammapy. La séparation des contributions de HESS J1745-290 et de l'émission diffuse est ce qui nous permet ensuite de suivre l'évolution temporelle de la source centrale. En effet, le suivi d'une source sur une quinzaine d'année est compliqué par les nombreux changements (instrumentaux, climatiques, etc.) qu'a connu le système HESS. Nous utilisons donc l'émission diffuse comme référence pour suivre plus précisément les variations intrinsèques de la source HESS J1745-290. Nous n'observons cependant pas de signe de variabilité sur la période 2004-2019. Pour estimer la sensibilité de HESS aux variations temporelles, afin de déterminer les scénarios d'évolution que l'on peux d'ores et déjà exclure, nous avons simulé des données HESS, en utilisant les fonctions de réponse de l'instrument et différents modèles d'évolution temporelle. Nous trouvons que la variation du flux de HESS J1745-290 sur une année est détectable si elle est supérieure à 30 %. Ensuite, pour une décroissance linéaire du flux entre 2004-2019, HESS est en mesure de la détecter si elle est supérieure à 30 % sur 16 ans. On en déduit que le modèle élaboré précédemment n'est pas exclus par les observations de HESS. Enfin, en utilisant des fonctions d'instrument prévisionnelles pour CTA, nous avons pu effectuer des prédictions sur les performances de CTA quant à l'observation de HESS J1745-290 : nous déterminons que CTA aura une résolution angulaire suffisante pour déterminer si cette source gamma est associée à Sgr A* ou G359,95-0,4. De plus, la sensibilité de CTA aux faibles variations de flux permettra de confirmer ou d'infirmer le scénario d'évolution temporelle étudier dans notre travail.

At the Centre of our Galaxy lies a supermassive black hole named Sgr A*. The HESS experiment has been observing the region in very high energy gamma rays, and has detected a compact source HESS J1745-290, compatible in position with the black hole, as well as a diffuse emission, interpreted as a proof of an excess of energetic particles, freshly injected by a PeVatron. The key to understanding the origin of the diffusion emission is the establishment of an association between Sgr A* and the central source : its possible extension, its spectral behaviour and its possible time variations. Indeed, there are two objects compatible with the position of HESS J1745-290, which could theoretically emit very high energy gamma rays : Sgr A* and the pulsar nebula G359,95. This thesis will investigate these questions from a theoretical perspective and then through the analysis of the many data HESS has gather on the Galactic Centre (GC). This work will also allow to offer prospects for the first years of CTA observing the GC. By using gamma ray emission model relying on the interaction between cosmic rays and molecular clouds, and by incorporating a spatial description of the target gas, we were able to model the temporal evolution of the gamma ray flux at TeV energies from a injection spectrum of protons, a hypothesis on their diffusion speed and a particle injection scenario (2 massive flares 100 and 200 years ago). We find that the flux variations corresponding to our assumptions are of the order of 10 to 15% during the HESS observation period. With regard to the analysis of HESS data we begin with the practical application of the spectro-morphological analysis (or 3D analysis) recently developed for HESS, applied to the Galactic Center. This allows us to obtain the first intrinsic spectrum of the HESS J1745-290 source, i.e separated from any contribution from the diffuse emission. We also re-estimate of the amplitude of the systematic errors of HESS on the spectral parameters, using in particular the new numerical tools developed within the framework of the python library gammapy. The separation of the contributions from HESS J1745-290 and the diffuse emission is what allows us to better study the temporal evolution of the central source. Indeed, monitoring a source over fifteen years is made difficult by the many changes (instrumental, climatic, etc.) experienced by the HESS system. We therefore use the diffuse emission as a reference to monitor more precisely the intrinsic variations of the HESS J1745-290 source. However, we do not observe any sign of variability over the period 2004-2019. To estimate the sensitivity of HESS to temporal variations, and in order to determine the evolution scenarios that we can already exclude, we simulated HESS data, using the response functions of the instrument and different models of temporal evolution. We find that the variation in flux of HESS J1745-290 over a single year is detectable if it is greater than 30%. Then, for a linear decrease in flux between 2004-2019, HESS is able to detect it if it is greater than 30% over 16 years. We deduce that the particle injection model developed previously is not excluded by the observations of HESS. Finally, using predictive instrument functions for CTA, we were able to make predictions about CTA's performance with respect to the observation of HESS J1745-290 : we determine that CTA will have sufficient angular resolution to determine whether this gamma source is associated with Sgr A* or G359.95-0.4. In addition, CTA's sensitivity to low flux variations will confirm or invalidate the temporal evolution scenario studied in our work.