Détection de sursauts gamma d'ultra-longue durée par ECLAIRs à bord du satellite SVOM en cours de réalisation

par Nicolas Dagoneau

Projet de thèse en Astronomie et Astrophysique

Sous la direction de Stéphane Schanne.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine) , en partenariat avec AIM - Astrophysique Instrumentation Modélisation (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2017 .


  • Résumé

    Decription détaillée de la proposition de thèse intitulée 'Détection de sursauts gamma d'ultra-longue durée par ECLAIRs à bord du satellite SVOM en cours de réalisation.' *** Introduction *** Les sursauts gamma sont des événements astrophysiques fascinants de par leur origine longtemps restée mystérieuse, leur apparition imprévisible sur le ciel, et la formidable énergie qu'ils libèrent sous forme de bouffées de rayons gamma. Leur étude constitue le programme principal de la mission satellite SVOM, actuellement en développement et dans laquelle s''insère cette thèse. Le satellite SVOM (Space-based astronomical Variable Objects Monitor), prévu d'être lancé en 2021, est une coopération franco-chinoise, cofinancée par le CNES, dont le but est de détecter des sursauts gamma et d'étudier précisément leurs propriétés, grâce à une très bonne complémentarité entre ses instruments. Le télescope à masque codé ECLAIRs sur SVOM détectera et localisera en temps réel les sursauts gamma pour la mission SVOM. *** Les sursauts gamma *** Les sursauts gamma furent découverts par hasard il y a plus de 40 ans, et se traduisent par un prompt et intense flash de rayons gamma en provenance d'un point aléatoire du ciel, d'une durée allant de quelques millisecondes à quelques minutes. Il y a tout juste 20 ans, a été découvert qu'ils sont suivis d'une émission rémanente rapidement décroissante observable des rayons X aux ondes radio en passant par le visible. L'observation de l'émission rémanente permet d'estimer la distance de ces objets, qui s'avère être pour la plupart cosmologique et provenir d'événements cataclysmiques ayant eu lieu quand l'univers avait une fraction de son âge actuel. Ils se produisent sous certaines conditions lors de la formation de nouveaux trous noirs de masses stellaires dans l'univers jeune. Les sursauts gamma se divisent classiquement en deux catégories, les sursauts « longs » dont l'émission prompte gamma dure une dizaine de secondes (produits par les collapsars, des hypernovae asymétriques d'étoiles très massives), et les sursauts gamma « courts » d'une durée de moins d'une seconde (vraisemblablement liés à la coalescence de systèmes binaires à objets compacts, étoiles à neutrons ou trou noirs). Parmi les sursauts gamma détectés par les missions spatiales précédentes, la population des sursauts gamma d'ultra-longue durée (d'une durée d'émission gamma prompte de 1400 à 10000 s) est sous-représentée dans les bases de données (Swift, Fermi, INTEGRAL, etc). Actuellement seule une poignée de sursauts d'ultra-longue durée sont connus (101225A, 111209A, 121027A, 130925A, 141121A, 1611031, tous à un décalage vers le rouge inférieur à 2). Il s'agit potentiellement d'une nouvelle classe de phénomène (hypernova d'une étoile supergéante bleue, magnétar ou disruption d'une petite étoile par effet de marée autour d'un trou noir). Ces sursauts ultra-longs peuvent également signer des sursauts gamma classiques à très grand redshift, dilatés dans le temps et spectralement décalés vers les rayons X par la cosmologie. Un potentiel de découverte important est donc devant nous, probablement mal exploité par les missions actuelles dont les systèmes de déclenchement n'effectuent une recherche de sursauts que sur des durées de l'ordre de 1 à 2 min avec des détecteurs qui ne localisent qu'au-delà de 15 keV (comme pour Swift) ou qui ont des seuils de déclenchement au-delà de 25-50 keV (comme pour Fermi). C'est ici que le détecteur ECLAIRs, avec son seuil de déclenchement et de localisation aussi bas que 4 keV, moyennant l'optimisation de son système de déclenchement sur des échelles de temps jusqu'à 10000 s, pourrait ouvrir un espace de découverte énorme. La thèse propose d'étudier les sursauts de longue et ultra-longue durée et leur détectabilité avec le télescope ECLAIRs pour SVOM. *** Implication dans le système de détection des sursauts à bord de SVOM *** Pour SVOM le CEA Saclay développe et réalise le logiciel applicatif de l'Unité de Gestion et de Traitement Scientifique (UGTS) de l'imageur gamma ECLAIRs embarqué à bord du satellite. La fonction scientifique principale de l'UGTS est de détecter, à partir des photons gamma enregistrés par ECLAIRs, l'apparition d'un sursaut gamma en temps-réel et de calculer sa position sur le ciel. Il demande alors le re-pointage automatique du satellite pour suivre la rémanence du sursaut avec les télescopes embarqués à rayons X et dans le visible, et il transmet également aux observateurs au sol la localisation de l'événement pour permettre à toute la communauté leur suivi rapide. L'UGTS est développé au CEA par une équipe d'ingénieurs et de physiciens disposant d'une expertise dans ce type d'instruments et de traitements (ex. satellite INTEGRAL). Un logiciel prototype a été développé et testé à Saclay. Dans un précédent travail (thèse de 2013 à 2016) une base de données de sursauts gamma tels qu'attendus par ECLAIRs a été conçue, en s'appuyant sur les observations de satellites précédents, à partir de laquelle un taux de détection de 40 à 70 sursauts par an a été estimé pour SVOM avec le système de déclenchement actuellement prévu. Ce travail reposait sur un modèle de bruit de fond très simple (fond extragalactique modulé par les passages de la Terre dans le champ de vue de l'instrument). Avec un taux d'environ 1 à 2 sursauts par semaine, durant l'essentiel de son temps ECLAIRs détectera du « bruit de fond » (par rapport au programme principal de la mission SVOM, la recherche de sursauts). En opération il sera par conséquent très important de déclencher sur de vrais sursauts, et non des fluctuations de ce bruit de fond. Le taux de fausses alertes, restant encore à évaluer précisément, doit être minimisé tout en garantissant un taux de sursauts détectés élevé. Le présent sujet de thèse propose d'aller plus loin dans la modélisation du bruit de fond avant le lancement, et de s'assurer que les algorithmes sont capables de fonctionner avec ce bruit de fond, à la fois temporellement et spatialement variable sur le plan détecteur. Outre l'albédo terrestre et les passages par les zones à forte présence de particules le long de l'orbite (ceintures de radiation terrestres), une composante importante et largement inexplorée du bruit de fond représente les sources persistantes ou variables présentes dans le champ de vue de l'instrument. Dans ce travail de thèse on propose donc de définir précisément le catalogue de sources connues qui doit être embarqué à bord de l'UGTS. On s'appuiera pour cela sur les catalogues de sources observées par les instruments précédents (par exemple INTEGRAL et Swift en gamma, Uhuru et ROSAT en rayons X). Il faudra différencier les sources variables des sources persistantes dont les traitements par le logiciel embarqué seront différents, de classer les sources en fonction de leurs caractéristiques spectrales et leur variation temporelle attendue. Ensuite au niveau du logiciel, le traitement de ces sources reste à spécifier en détail, à implémenter et à valider scientifiquement. Cette thèse se déroulant de 2017 à 2020 sera parfaitement en phase avec le développement du logiciel applicatif vol sur l'UGTS, que l'équipe d'ingénieurs au CEA a en charge. Les résultats des études obtenus durant la thèse influeront directement la mise au point de ce logiciel. *** Spécialisation dans la détection de sursauts gamma d'ultra-longue durée *** Le volet scientifique de cette thèse sera consacré à sur la détection de sursauts gamma d'ultra-longue durée mais de faible intensité, une population potentiellement très importante, et largement inexplorée par les missions précédentes. Le logiciel actuel embarqués sur ECLAIRs prévoit des durés de détection de 10 ms à environ 10 min. Le thésard étudiera les prédictions pour ce type d'événements ultra-longs. Il tiendra compte des effets cosmologiques de dilatation du temps et de décalage spectral vers la basse énergie, domaine où ECLAIRs est particulièrement sensible puisque son seuil bas de détection et de déclenchement est à 4 keV, alors qu'il est de 15 à 25 keV pour les satellites précédents. Ensuite il étudiera d'une part si le logiciel permet de déclencher sur ce type d'événements et de les discriminer des sources variables connues, et il définira les critères de décision précis pour la détection des sources de ce type. Le thésard étudiera aussi de nouveaux algorithmes pour la détection des sursauts faibles d'ultra-longue durée jusqu'à 10000 s. Pour être capables d'aller sonder sur des durées aussi longues, ces traitements requièrent l'analyse des données sur plusieurs orbites du satellite (90 min), avec prise en compte des occultations par la terre et des périodes perturbées le long de l'orbite, ainsi que de possibles dépointages du satellite durant l'observation. Ils impliquent aussi un catalogue bien plus profond du ciel transitoire. Ces algorithmes pourront d'un part être appliqués à la recherche dans les données SVOM hors ligne au sol, mais pour plus de réactivité il serait intéressant de pouvoir les implémenter à bord, ce qui devra aussi être pris en compte et évalué. *** Expertise dans le ciel gamma transitoire *** Outre la spécialisation dans les sursauts d'ultra-longue durée, cette thèse apportera au doctorant un large volet scientifique dans la compréhension d'ensemble des sources brillantes du ciel X et gamma, persistantes et transitoires (systèmes binaires, étoiles à neutrons, trous noirs accrétants, noyaux actifs de galaxies, etc). A part la contribution au programme principal de la mission SVOM (la détection des sursauts), cette thèse contribuera donc au deuxième volet du programme d'observation de la mission (le programme général et le programme des cibles d'opportunité, ToO), qui de fait couvre l'essentiel du temps d'observation. Le futur docteur sera donc très bien placé pour prendre part par la suite à ces analyses au sein du consortium SVOM. Au-delà de SVOM cette expertise scientifique sera hautement valorisable sur d'autres missions X et gamma en préparation (telles eRosita, eXTP, etc). *** Conclusions *** Dans la décennie à venir le nouveau satellite SVOM fonctionnera conjointement à une large panoplie de moyens observationnels sensibles aux sursauts gamma (successeurs du Hubble Space Telescope, détecteurs d'ondes gravitationnelles, télescopes à neutrinos, télescopes à effet Tchérenkov, etc). Détecter de façon fiable de nouveaux sursauts gamma dans les années 2020 est le défi que SVOM propose de relever, et à la réussite duquel cette thèse apportera une contribution essentielle. ********************************

  • Titre traduit

    Detection of ultra-long gamma-ray bursts with ECLAIRs onboard the SVOM satellite under development


  • Résumé

    Brief summary of the thesis proposal entitled 'Detection of ultra-long gamma-ray bursts with ECLAIRs onboard the SVOM satellite under development.' The French-Chinese satellite project SVOM is scheduled to detect gamma-ray burst (GRBs) from 2021 on. While previous missions were focused on the detection of short and long duration GRBs (with durations less than 1 s and around 10 s respectively), the recently discovered new class of ultra-long GRBs is a very promising target for SVOM. Indeed very distant GRBs are expected, because of cosmology, to be redshifted towards low energy, a suitable domain for the ECLAIRs GRB trigger telescope onboard SVOM which will have a low energy trigger threshold at 4 keV. They are also expected to be stretched in duration, into the domain of ultra-long GRBs, with durations of the prompt emission up to 10000 s. For ECLAIRs an important discovery space exists, compared to previous missions which triggered only above 15 keV and on time scales up to 1 or 2 min. Extending the trigger algorithms to cope with time scales up to 10000 s in an energy band starting at 4 keV will permit to open this discovery space. On such long time scales, the presence of sources in the ECLAIRs field of view and the background have to be modelled very precisely in order to be able to differentiate those sources from GRB candidates. The aim of this thesis is to solve this puzzle and to contribute to the ECLAIRs trigger development, while at the same time specializing in the research field of UL-GRBs and becoming an expert in the soft gamma-ray sky. ****