Etude de détecteurs spectro-imageur strippés pour un futur télescope MeV spatial

Study of strip spectro-imaging detectors for a future space MeV telescope

• Auteur / Autrice : Mohamad Khalil
• Direction : Philippe Laurent, Filippo Frontera
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : [Physique de l'univers]
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Astrophysique

Astronomie

Télescopes

Rayons X

Mots clés libres

AstroMev

Résumé

Ce doctorat s'est déroulé dans le cadre du programme «Doctorat International pour la Physique des AstroParticules » (IDAPP). Dans le cadre de ce programme, les activités de recherche menées lors de ce doctorat ont été poursuivies dans deux universités (l'Université Paris Diderot-France et l'Université de Ferrare-Italie). L'expérience CGRO / COMPTEL nous a appris que le ciel au MeV est riche en phénomènes de haute énergie. Malheureusement, nous n'avons pas eu, à l'heure actuelle, d'instrument avec une sensibilité suffisante pour pouvoir dévoiler une science prometteuse dans cette gamme d'énergie. Le satellite INTEGRAL (2002-) n'a pas réussi à améliorer les observations COMPTEL au-dessus d'environ 1 MeV. A haute énergie, supérieure à 100 MeV, la mission FERMI (2008-) a permis une amélioration de la sensibilité d'un facteur 30 sur le télescope CGRO / EGRET mais les progrès dans le domaine du MeV n'ont pas été au même rythme. Dans ce manuscrit, je décrirai les difficultés liées à l'observation du ciel dans la gamme 0,1 — 100 MeV, difficultés qui ont entravé la sensibilité des télescopes. Ensuite, je décrirai la prospective scientifique dans cette gamme d'énergie tout en donnant les performances instrumentales exigées par les différents thèmes scientifiques majeurs (sensibilité dans les raies gamma, sensibilité pour le continuum, résolution angulaire et spectrale, résolution temporelle, polarisation). Ensuite, je décrirai les interactions photon-matière dominantes au MeV, et les techniques instrumentales d'observation qui pourraient être mises en oeuvre pour tirer parti de ces interactions (les télescopes à masque codé, les télescopes Compton et à effet de paires). Enfin, je présenterai ma contribution aux programmes de recherche et au développement sur deux télescopes qui tentent d'améliorer la sensibilité au MeV: PACT (Télescope Compton et à effet de Paires) et le télescope à lentille gamma LAUE. Je comparerai ces télescopes et discuterai les sujets scientifiques que chaque télescope peut dévoiler en fonction de leur performance escomptée. Ces deux télescopes devraient être proposés lors du prochain appel de l'Agence spatiale européenne (ESA) pour le programme «Cosmic Vision» à la fin 2014-début 2015.

This doctorate is part of the 'International Doctorate on Astroparticle Physics (IDAPP)' program. Following the protocols of this program, the research activities carried out during the time span of this doctorate were pursued in two IDAPP universities (University Paris Diderot-France and University of Ferrara-Italy). CGRO/COMPTEL has taught us that the MeV sky is rich in high energy phenomena. Unfortunately we haven't had any instrument with a good enough sensitivity that could unveil the promising science in this energy range. The INTEGRAL satellite (2002-2015) has failed to outperform COMTPEL above about 1 MeV. On the other hand, at energies >100 MeV the FERMI mission (2008-current) has allowed an increase in sensitivity by a factor of 30 over the CGRO/EGRET telescope. The CGRO/EGRET itself improved the sensitivity by a factor of 30 over its predecessor the COS-B mission (1975-1982). The progress in the MeV range has not been in the same pace. The planned ASTRO-H mission will slightly improve the situation below 1 MeV. In this work, I will describe the observational difficulties in the 0. 1-100 MeV range which have hindeired the sensitivity of telescopes. Then, I will discuss the scientific prospective in this energy range white presenting the instrumental requirements for the major scientific topics (line sensitivity, continuum sensitivity, angular and spectral resolution, timing resolution, polarization). Then, I will discuss the photon-matter interactions which dominate at these MeV energies, and the type of observational instrumental techniques which could be implemented to take advantage of these interactions (Coded Mask telescopes, Compton telescopes, Pair production telescopes and focusing telescopes). And finally, I will describe and present my contribution to the research and development of two telescopes which attempt to improve the achieved sensitivity at MeV energies: PACT (the Pair and Compton Telescope) and the LAUE telescope. I will also compare these telescopes and discuss the scientific subjects each telescope can unveil in accordance with its expected performance. Both of these telescopes are expected to be proposed for the next issue of the European Space Agency (ESA) call for ''Cosmic Vision'' program in late 2014-Early 2015.