Gamma-ray flux variation studies from the blazar B2 1215+30 with the Fermi-LAT and the Crab Nebula with the H.E.S.S. experiment

par Floriana Zefi

Thèse de doctorat en Astroparticules et cosmologie

Sous la direction de Mathieu de Naurois.

  • Titre traduit

    Étude de la variabilité temporelle de l'émission gamma du blazar B2 1215 + 30 avec Fermi-LAT et de la Nébuleuse du Crabe avec le réseau de télescopes H.E.S.S.


  • Résumé

    Les expériences actuelles en astronomie gamma sont le satellite Fermi-LAT et les expériences au sol tel que H.E.S.S., VERITAS et MAGIC. La surveillance des sources d’énergie très élevées indique une physique diversifiée. Afin d’étudier la forme la plus énergétique de radiation et les phénomènes les plus violents qui se déroulent dans l’Univers, l’analyse des sources individuelles est importante. Les BL Lac, un type de galaxie active, constituent la classe de source extragalactique la plus abondante détecté dans les énergies du GeV au TeV, tandis que le nébuleuses de vent de Pulsar sont la classe la plus peuplée dans le plan galactique. Ces deux types  de sources ont des émissions variables de rayons gamma.Dans cette thèse, la variabilité de l'objet BL Lac B2 1215 + 30 est étudiée avec les données du satellite Fermi-LAT. Une grande variation de flux, détectée par Fermi-LAT en février 2014, est simultanée avec un éruption très lumineux observé au TeV par l'expérience VERITAS. En collaboration avec la collaboration VERITAS, la variabilité du flux de rayons gamma a été utilisée pour établir des contraintes sur la taille de la région d'émission et sur le facteur Doppler. La variabilité à long terme, en utilisant près de neuf ans de données de Fermi-LAT de 100 MeV jusqu'à 500 GeV, a permis de détecter plusieurs flares. L'étude de la variabilité du flux indique un comportement quasi périodique avec une période de jours.Ensuite, la variabilité du flux de l’un des objets les plus étudié, la Nébuleuse du Crabe, au TeV est étudiée avec dix ans d'observation de l'expérience H.E.S.S. Le spectre de la nébuleuse du crabe est mesuré de 280 GeV jusqu'à 62 TeV. Ceci est la première mesure qui s'étend à ces très hautes énergies. Considérée comme une “chandelle standard” en astronomie gamma, la nébuleuse du crabe est une source utilisée pour l'étalonnage et l'étude des instruments. L’observation de variations du flux au GeV par le satellite Fermi-LAT a par conséquent été une découverte inattendue. Ces variations de flux au GeV ont motivé la recherche de variations de flux au TeV en utilisant les données de l'expérience H.E.S.S. La position de la nébuleuse de crabe dans l'hémisphère nord et la localisation de H.E.S.S. en Namibie rendent cette enquête complexe en raison des importantes erreurs systématiques introduites par des conditions d'observation non optimales. Le travail sur la nébuleuse du crabe montre que la prise en compte de la transparence atmosphérique pour l'étude de l'évolution du flux avec le temps résulte en une réduction des effets systématiques. Aucune variation de flux n'a été observée à des énergies supérieures à 1 TeV dans les données de H.E.S.S. I. Une autre variation de flux au GeV signalée par le Fermi-LAT en octobre 2016 par télégramme astronomique, a été étudiée avec H.E.S.S. II. Cette analyse a montré que le GeV éruption a duré pendant un mois, et le flux avec H.E.S.S. a une variance excessive de 15 %. Cela devrait être comparé à l'incertitude systématique de 20 % fréquemment citée par H.E.S.S.


  • Résumé

    The current state-of-the-art experiments in gamma-ray astronomy are the Fermi-LAT in space and the ground-based H.E.S.S., VERITAS and MAGIC experiments. The monitoring of the very-high-energy gamma-ray emitting sources indicates the diverse physics taking place in astrophysical environments. To study the most energetic form of radiation and the most violent phenomena taking place in the Universe, individual source analyses are important. BL Lac objects, a subcategory of active galaxies, are the most abundant source class detected both in the GeV andTeV energies, while pulsar wind nebulae represent the most numerous identified source class in the galactic plane. Both source classes exhibit gamma-ray flux variations.In this thesis, the gamma-ray variability of the BL Lac object B2 1215+30 is presented with Fermi-LAT data. A bright flare, with 16 times the average quiescent flux, was detected in February 2014.In collaboration with the VERITAS experiment, the gamma-ray variability was investigated over five decades in energy. This work resulted in the detection of a luminous flare, seen simultaneously in GeV and TeV energies by both instruments. These results were used to set constraints on the size of the emission region and on the Doppler factor of the relativistic jet. Additionally, the long-term variability was studied using nine years of Fermi-LAT data. This brought out new flux enhancements, which characterize the long-term lightcurve from 100 MeV up to 500 GeV. Other striking characteristics are a steady linear increase of the yearly average flux, together with a hardening of the spectral index. The investigation of the light curve indicates a hint of quasi-periodic behavior with a period of around 1083±32 days.This work includes spectrum and flux variability studies for the well-studied but ever-surprising Crab Nebula at TeV energies with more than a decade of H.E.S.S. observations. The spectrum measured in this work goes from 280 GeV to 62 TeV, making this the first measurement tha textends to such very-high-energies. Considered as a standard candle for ground-based gamma-ray astronomy, the Crab Nebula is also used for calibration and instrument studies. The detection of GeV flares by the Fermi-LAT were unexpected and motivated the search of flux variations at TeVenergies with the H.E.S.S. experiment. The position of the Crab Nebula in the northern hemisphere makes this investigation challenging due to the large systematic uncertainties introduced by the non-optimal observation conditions. This work showed that the systematic uncertainties can be reduced by taking into account the atmospheric transparency. No flux variations were found at energies above 1 TeV from the H.E.S.S. I data. A flare reported by the Fermi-LAT in October 2016 was also investigated. This analysis showed the GeV flare lasting for one month, while the flux withH.E.S.S. II had an excess variance of 15 %. This should be compared to the commonly quoted 20% systematic uncertainty by H.E.S.S. experiment.


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