ÉTUDE DE LA VARIABILITE MULTI-ECHELLES DU CIEL GAMMA A TRES HAUTE ENERGIE

par Héctor Rueda

Projet de thèse en Astroparticules et cosmologie

Sous la direction de Jean-François Glicenstein et de François Brun.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulat , en partenariat avec DRF-Institut de Recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (Irfu) (laboratoire) et de Faculté des sciences d'Orsay (référent) depuis le 01-10-2020 .


  • Résumé

    L'astronomie gamma de très haute énergie observe le ciel au-dessus de quelques dizaines de GeV. Ce domaine émergent de l'astronomie est en plein essor depuis le début des années 1990, en particulier, depuis la mise en service en 2004 du réseau de télescopes H.E.S.S. en Namibie. L'IRFU/CEA-Paris Saclay est un membre particulièrement actif de cette collaboration depuis ses débuts. Il est également impliqué dans la préparation du futur observatoire CTA (Cherenkov Telescope Array) qui devrait entrer en fonctionnement à l'horizon 2024. La détection des photons gamma d'énergie supérieure à quelques dizaines de GeV permet d'étudier les processus d'accélération des particules chargées au sein d'objets aussi variés que les vestiges de supernova ou les noyaux actifs de galaxies. Par ce biais, H.E.S.S. vise notamment à répondre à la question centenaire de l'origine des rayons cosmiques. H.E.S.S. permet de mesurer la direction, l'énergie et le temps d'arrivée de chaque photon détecté. La mesure du temps a permis de mettre en évidence des sources dont le flux présente des variations temporelles importantes ou encore périodiques. L'étude de ces émissions variables (transitoires ou périodiques), que ce soit en direction du Centre Galactique ou de noyaux actifs de galaxies (AGN) lointains permet de mieux comprendre les processus d'émissions à l'oeuvre au sein de ces sources, de caractériser le milieu dans lequel les photons se propagent mais également de tester la validité de certaines lois physiques fondamentales comme l'invariance de Lorentz. La large gamme d'échelles temporelles qu'il est possible de sonder permet de rechercher et d'étudier des sursauts ou des variations dans le flux des sources allant de quelques secondes (sursaut gamma, trous noirs primordiaux) à quelques années (systèmes binaires de haute masse, noyaux actifs de galaxie). L'un des succès majeurs de la première décennie de prise de données de H.E.S.S. a été de conduire le premier relevé des sources du plan Galactique dans cette gamme d'énergie. Ce relevé́, qui a nécessité plus de 10 ans de prises de données, combine des observations dédiées à certaines sources, comme le Centre Galactique ou certains vestiges de supernovæ, mais aussi des observations à l'aveugle pour la découverte de nouvelles sources. Le sujet de thèse proposé ici porte sur un aspect de l'étude du plan Galactique qui reste à explorer : la recherche et l'étude de la variabilité et de la périodicité des sources gamma dans l'ensemble de ce lot de données. Le travail de thèse portera sur la recherche de sources variables dans les données de H.E.S.S., notamment dans les données prises le long du plan Galactique. En particulier, le trou noir du Centre Galactique SgrA* pourrait être variable avec des échelles de temps de quelques minutes à quelques mois. La détection d'une variabilité dans le domaine des très hautes énergies donnerait une contrainte extrêmement forte sur l'origine de l'émission de particules de haute énergie par ce trou noir. Dans le ciel extra-galactique, les variabilités détectées en direction des AGNs pourront être utilisées pour tester l'invariance de Lorentz. Les systemes binaires de haute masse sont des laboratoires de premier ordre pour tester les mode les d'accélération. Ces syste mes binaires sont constitués d'une étoile massive et d'un objet compact : trou noir ou étoile à neutrons. Les six systemes de ce type qui ont déjà été détectés dans la gamme d'énergie du TeV présentent une variabilité du flux et du spectre importante (à haute et très haute énergie), périodique, et corrélée avec la phase orbitale du systeme. On a ainsi des laboratoires dont les conditions (distances, densité de photons, ...) sont souvent bien connues (par des observations multi-longueur d'ondes) et reproductibles. Le plan Galactique pourrait en contenir plus que ceux connus actuellement et le travail de thèse vise à tenter de les détecter. L'étudiant sera amené à développer des méthodes pour rechercher des sources périodiques dans le plan Galactique. Ce travail pourra ensuite être généralisé à l'ensemble des données de H.E.S.S. par exemple pour rechercher une périodicité au sein des noyaux actifs de galaxies. Même si aucune nouvelle détection n'est faite, l'application de ces méthodes permettra de conduire des études de populations dans le domaine temporel. Les méthodes utilisées, celles qui seront développées ainsi que les méthodologies suivies pour contraindre les modèles astrophysiques serviront à estimer les performances du prochain observatoire CTA. Les analyses de données sur H.E.S.S. permettront d'étudier des sujets de physique fondamentale variés qui devraient conduire à la publication de plusieurs articles durant la thèse.

  • Titre traduit

    STUDY OF THE MULTI-SCALE VARIABILITY OF THE VERY HIGH ENERGY GAMMA-RAY SKY


  • Résumé

    Very high energy gamma ray astronomy observes the sky above a few tens of GeV. This emerging field of astronomy has been in constant expansion since the early 1990s, in particular since the commissioning of the H.E.S.S. array in 2004 in Namibia. IRFU/CEA-Paris Saclay is a particularly active member of this collaboration from the start. It is also involved in the preparation of the future CTA observatory (Cherenkov Telescope Array), which should come into operations by 2024. The detection of gamma rays above a few tens of GeV makes it possible to study the processes of charged particles acceleration within objects as diverse as supernova remnants or active galactic nuclei. Through this, H.E.S.S. aims in particular at answering the century-old question of the origin of cosmic rays. HESS allows measuring the direction, the energy and the arrival time of each detected photon. The time measurement makes it possible to highlight sources which present significant temporal or periodic flux variations. The study of these variable emissions (transient or periodic), either towards the Galactic Center or active nuclei of galaxies (AGN) at cosmological distance allows for a better understanding of the emission processes at work in these sources. It also helps characterizing the medium in which the photons propagate and testing the validity of some fundamental physical laws such as Lorentz invariance. It is possible to probe a wide range of time scales variations in the flux of astrophysical sources. These time scales range from a few seconds (gamma ray bursts, primordial black holes) to a few years (binary systems of high mass, active galaxy nuclei). One of the major successes of the first decade of data collection of H.E.S.S. was to conduct the first Galactic Plan survey of sources in this energy range. This survey, comprising more than 10 years of data, combines observations dedicated to known sources, such as the Galactic Center or some supernova remnants, as well as blind observations for the discovery of new sources. The subject of the thesis proposed here deals with one aspect of the study of the Galactic plane that remains to be explored: research and study of the variability and periodicity of gamma-ray sources throughout this dataset. The thesis will focus on the search for variable sources in H.E.S.S. data, especially in the data taken along the Galactic plane. In particular, the black hole of the SgrA * Galactic Center could be variable at time scales ranging from a few minutes to a few months. The detection of a variability in the field of very high energies gives strong constraints on the origin of the emission of particles of high energy by this black hole. In the extra-galactic sky, the variability detected in the direction of the AGNs can be used to test fundamental laws such as Lorentz invariance. High mass binary stellar systems are laboratories for testing cosmic ray acceleration models. These binary systems consist of a massive star and a compact object: black hole or neutron star. Six such systems have already been detected in the TeV energy range. They show a high and very high energy flux and spectral variability, periodic, and correlated with the orbital phase of the system. The Galactic plan could contain more than those currently known and the thesis work aims at searching for them. The student will develop methods to search for periodic sources in the Galactic plane. This work can then be generalized to all the data of H.E.S.S. for example to search for a periodicity within the set of active nuclei of galaxies. Even if no new detection is done, the application of these methods will lead to population studies in the time domain. The methods developed to search for variabiities and constraining the astrophysical models will be used to estimate the performances of the next CTA observatory with simulations. The various fundamental physics subjects connected to time variability should lead to the publication of several articles with H.E.S.S. data during the thesis.