Etude de sursaut gamma avec l'expérience spatiale Fermi

par Manal Yassine

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Frédéric Piron.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de École Doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015) , en partenariat avec LUPM - Laboratoire Univers et Particules Montpellier (laboratoire) depuis le 01-10-2014 .


  • Résumé

    Phénomènes explosifs extremement brillants, les sursauts gamma libèrent plus de cent fois l'énergie lumineuse rayonnée par une supernova. Ils se caractérisent par une brève et intense émission en rayons X durs et gamma (phase d'émission dite “prompte”, de 0.01 à 100 s), suivie d'une émission diminuant rapidement en flux et en fréquence (phase d' émission dite “rémanente”). Le scénario standard invoqué pour expliquer la plus grande partie des sursauts suppose la formation d'un trou noir par effondrement d'une étoile massive en fin de vie, accompagnée d'un vent ultra-relativiste collimaté. L'existence de ce jet permet d'expliquer la luminosité exceptionnelle des sursauts. L'émission dans la phase prompte provient des particules accélérées par chocs internes au sein du jet, et l'émission rémanente du freinage du jet par le milieu extérieur. L'observatoire Fermi de la NASA, mis en orbite en juin 2008, a identifié plus de 1000 sursauts gamma dont plusieurs dizaines jusqu'au GeV voire au-delà. L'analyse spectro-temporelle des données fournies par ses instruments GBM (“Gamma-ray Burst Monitor”, 8 keV à 40 MeV) et LAT (“Large Area Telescope”, 20 MeV à plus de 300 GeV) a permis d'étudier la complexité de ces phénomènes sur un très large domaine spectral. A l'apparition d'un sursaut gamma, les premières analyses des données Fermi doivent etre con-duites rapidement. La position et les caractéristiques pr incipales du sursaut sont communiquées à la communauté mondiale afin d'obtenir une mesure de distance (redshift) en suscitant des observations de l'émission rémanente par les télescopes terrestres opérant à plus grande longueur d'onde. Cette séquence d'observation repose sur la capacité du LAT à lo caliser les sursauts, qui du fait d'une statis-tique en photons limitée n'est suffisante que dans la moitié des cas environ. Une amélioration est attendue des nouveaux algorithmes de reconstruction et de classification des événements (baptisés Pass 8), actuellement mis au point et qui offriront un gain important en performances, notamment une surface effective de détection 2 à 3 fois plus grande autour de 100 MeV. La thèse débutera au moment où les données du LAT retraitées avec Pass 8 seront sur le point d'etre rendues publiques. L'étudiant(e) devra posséder un gout certain pour le travail expérimental et l'utilisation de logiciels informatiques pour l'analyse de données astrophysiques. Il/elle se familiarisera avec les instruments GBM et LAT pour s'impliquer dans le travail de publication des sursauts les plus intéressants. Il/elle mènera une étude spectro-temporelle complète des sursauts détectés par le LAT, dans le but de les confronter aux modèles d'émission. Dans ce travail, des o bservations multi-longueurs d'onde finement résolues temporellement et la caractérisation dynamique des composantes spectrales sont indispensables pour déterminer les propriétés du jet (vitesse, structure, degré de collimation, réservoirs d'énergie et magnétisation), la nature et le spectre des particules accélérées ( électrons et ions très énergétiques), pour identifier les sites d'émission, les mécanismes radi atifs et les effets d'opacité à la source, et pour étudier la transition critique entre les phases de chocs internes et externes.

  • Titre traduit

    Study of gamma-ray bursts with the space experiment Fermi


  • Résumé

    Explosives Phenomena extremely brilliant, the GRBs release more than a hundred times the light energy radiated by a supernova. They are characterized by a brief and intense emission in hard X-rays and gamma rays (so-called prompt phase from 0.01 to 100 s), followed by emission descending rapidly in flow and frequency (so-called the afterglow phase). The standard scenario used to explain the bursts structure assumes the formation of a black hole from collapse of a massive star at the end of life, accompanied by a collimate ultra-relativistic wind. The existence of this jet can explain the exceptional brightness bursts. The emission in the prompt phase comes from accelerated particles by internal shocks within the jet, while the afterglow emission comes from external shock with its surroundings. The Fermi space telescope of the NASA launched into orbit in June 2008, identified more than 1000 GRBs including several dozen up to GeV or even beyond. The Spectro-temporal analysis of data provided by GBM instruments ("Gamma-ray Burst Monitor", 8 keV to 40 MeV) and LAT ("Large Area Telescope," 20 MeV to more than 300 GeV) was used to study the complexity of these phenomena over a broad spectral range. At the onset of a gamma-ray burst, the first analyzes of Fermi data must be conducted quickly. Position and main characteristics of the burst is communicated to the world community to achieve a measurement of its distance (redshift) by encouraging observations of the afterglow by ground telescopes operating at larger wavelengths. This observation sequence based on the ability of the LAT to locate bursts, which, due to the limited photon statistics, is sufficient only in roughly half of cases. An improvement of new algorithms for reconstruction and event classification (called Pass 8) is expected, being developed and will offer a significant performance gain, particularly a detection effective area 2 to 3 times greater around 100 MeV. The thesis begins after data LAT retired with Pass 8 are about to be made public. The student should have a taste for experimental work and the use of computer software for astrophysical data analysis. He/she should become familiar with the GBM and LAT instruments to get involved in the work of the most interesting publication bursts. He/she will conduct a full spectro-temporal study of the bursts detected by the LAT in order to compare them to emission models. In this work, the multi-wavelength observations finely resolved and temporal dynamic characterization of the spectral components are necessary to determine the jet properties (speed, structure, degree of collimation, reservoirs of energy and magnetization), the nature and the spectrum of accelerated particles (electrons and high energy ions), to identify the emission sites, radiative mechanisms and opacity effects to the source, and to study the critical transition between phases of internal and external shocks.