Inter-Calibration Aéroportée des Télescopes H.E.S.S. et Emission Gamma Diffuse de Très Haute Energie du Grand Nuage de Magellan

par Jacques Muller

Thèse de doctorat en Astrophysique

Sous la direction de Mathieu de Naurois.

Soutenue le 17-12-2021

à l'Institut polytechnique de Paris , dans le cadre de École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris , en partenariat avec École polytechnique (Palaiseau, Essonne) (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire Leprince-Ringuet (Palaiseau, Essonne) (laboratoire) .


  • Résumé

    Le Système Stéréoscopique à Haute Energie H.E.S.S. est l'un des trois grands réseaux de Télescopes à Imagerie Tcherenkov Atmosphérique (IACT) opérationnels et est situé en Namibie à une altitude de 1800 m. Ces réseaux sont conçus pour détecter indirectement des photons aux énergies les plus hautes couramment observables, appelés rayons gamma, créés par les phénomènes cosmiques les plus violents comme des supernovæ, des pulsars, des trous noirs accrétants et des sursauts gamma. H.E.S.S. est constitué de cinq télescopes, dont quatre avec un miroir segmenté de forme hexagonale de 12 m de diamètre et un avec une forme presque rectangulaire avec un diamètre de 28 m. Pour pouvoir mesurer précisément l'énergie des photons gamma, il est indispensable de calibrer les télescopes individuellement, mais aussi de les inter-calibrer.La première partie de cette thèse propose une nouvelle méthode pour déterminer les efficacités optiques relatives des télescopes du réseau H.E.S.S. Celle-ci est basée sur un drone volant au-dessus du réseau et éclairant les télescopes avec une source de lumière pulsée. Cette méthode permet, contrairement à celle utilisée jusqu'alors, de mesurer la dépendance à la longueur d'onde des efficacités. Ce point sera important pour les réseaux futurs comme CTA constitués de plusieurs types de télescopes et qui devraient avoir une précision et sensitivité sans précédent. Cette thèse discute les résultats d'une première campagne d'inter-calibration et démontre que cette méthode permet d'inter-calibrer les télescopes de H.E.S.S. Additionnellement, elle montre qu'il est possible d'utiliser les mêmes données des observations avec un drone pour vérifier l'horodatage et les corrections de pointé de H.E.S.S., qui sont nécessaires car le pointé est imparfait à cause de la déformation du sol et de la structure du télescope sous son propre poids.La seconde partie de cette thèse discute la recherche d'émission gamma diffuse en provenance du Grand Nuage de Magellan. Il s'agit d'une galaxie naine qui, à l'instar de la Voie Lactée, contient non seulement des étoiles mais également des rayons cosmique (protons et électrons principalement) et de la matière interstellaire. Outre les sources astrophysiques, on attend également une émission diffuse produite par les interactions de ces particules avec le gaz interstellaire et les champs de rayonnement. Cette émission diffuse constitue d'ailleurs le signal principal détecté par des satellites gamma sensibles à la partie basse énergie du spectre gamma (énergies GeV). L'étude de cette émission diffuse est particulièrement intéressante, car elle permet de caractériser tous les processus reliés à sa production et nous ouvre ainsi une voie supplémentaire vers le spectre des rayons cosmiques, la distribution de gaz dans les galaxies et la population d'électrons accélérés proche de sources potentiellement non-découvertes, mais aussi parce qu'elle constitue un fond pour toutes les détections de sources. J'utilise une nouvelle méthode de soustraction de fond, initialement développé pour la détection d'émission diffuse dans la Voie Lactée, et basée sur des simulations Monte Carlo observation-par-observation incluant tous les paramètres et conditions d'observations pertinents (simulations « run-wise ») du fond attendu. Ensuite, je soustrais ce fond entièrement simulé des données observées après avoir ajusté sa normalisation avec un maximum de vraisemblance. Enfin, j'ajuste l'émission résiduelle sur les données en utilisant un maximum de vraisemblance (en gardant les sources connues masquées). Ceci mène à l'émergence d'une composante d'émission étendue près de N 157B qui pourrait être due à l'émission diffuse, et constituer ainsi sa première détection avec un IACT. Une autre raison possible serait la contribution de sources non-résolues.

  • Titre traduit

    Airborne Inter-Calibration of H.E.S.S. Telescopes and Diffuse Very-High-Energy Gamma-Ray Emission in the Large Magellanic Cloud


  • Résumé

    The High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) is one of the three major Imaging Atmospheric Cherenkov Telescope (IACT) arrays currently in operation and is located in the Khomas Highlands of Namibia at an altitude of 1800 m above sea level. As such, it is designed to indirectly detect photons at the highest energies currently observable, called gamma-rays, originating from the most violent cosmic phenomena such as supernovae, pulsars, accreting black holes and gamma-ray bursts. H.E.S.S. is constituted of five telescopes, four of them having a segmented hexagonal mirror with a diameter of 12 m and one with an almost rectangular shape with a diameter of 28 meter. As these multiple telescopes work together as an array, it is not only necessary to calibrate them individually, but also to inter-calibrate them.The first part of this thesis proposes a novel method to determine the relative optical efficiencies of the telescopes of the H.E.S.S. array. It is based on an unmanned aerial vehicle (UAV) positioned inside the field of view of all the telescopes on which a pulsed light source illuminating them is mounted. The method permits, unlike the one used so far, to monitor the wavelength dependent evolution of the efficiencies. This will be important for future arrays constituted of multiple telescope types and expected to have an unprecedented sensitivity and accuracy such as the future Cherenkov Telescope Array (CTA). This thesis discusses the inter-calibration results of a first successful campaign and shows that we are indeed able to inter-calibrate the H.E.S.S. telescopes. In addition, it shows that it is possible to use the same UAV observation data to verify the time stamping and pointing corrections of H.E.S.S., which are necessary as the pointing is imperfect due to the deformation of the ground and the telescope structure due to its weight.The second part of this thesis is about the search for diffuse gamma-ray emission produced in the Large Magellanic Cloud. The LMC is a dwarf galaxy which, as the Milky Way, does not only contain stars, but also cosmic rays (mostly electrons and protons) and interstellar matter. Beside the astrophysical sources, one also expects diffuse emission produced by the interactions of these particles with the interstellar gas and the radiation fields. This diffuse emission constitutes the main observational signal detected by gamma-ray satellites sensitive to the lower end of the gamma-ray spectrum (GeV energies). The study of this diffuse emission is particularly interesting since it allows to characterise all the processes involved in its production and so provides among other an additional handle on the cosmic ray spectrum, the gas distribution inside galaxies and the population of accelerated electrons near potentially undiscovered sources, but also since it constitutes a background for all source detections. I use a novel background subtraction method, initially developed for the detection of diffuse emission in the Milky Way, based on a run-by-run Monte Carlo simulation including all the relevant observation parameters and conditions "run-wise" simulation) of the expected background. I then subtract this fully simulated background from the observed data after having determined its normalisation with a maximum likelihood fit. Finally, I fit the residual emission to the data with a maximum likelihood (keeping the known gamma-ray sources under a mask). This leads to the emergence of an extended emission component near N 157B, which could be attributed to diffuse emission, and would so constitute its first detection with an IACT. Alternatively, this component might be due to the collective effect of unresolved sources.


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