Exploring active galactic nuclei at extreme energies : analysis and modeling of multi-wavelength flares and preparation of CTA

par Anton Dmytriiev

Thèse de doctorat en Sciences de l'univers. Astronomie et Astrophysique

Sous la direction de Hélène Sol et de Andreas Zech.

Le président du jury était Stéphane Corbel.

Le jury était composé de Andreas Zech, Stéphane Corbel, Paula Chadwick, Gilles Henri, Markus Böttcher, Bohdan Hnatyk.

Les rapporteurs étaient Paula Chadwick, Gilles Henri.

  • Titre traduit

    Exploration des noyaux actifs de galaxies aux énergies extrêmes : analyse et modélisation des sursauts multi-longueurs d’onde et préparation du CTA


  • Résumé

    De nombreuses questions liées à la physique des jets des Noyaux Actifs de Galaxies restent ouvertes. Une classe particulière d’AGN, les blazars, a un jet pointant vers la Terre. Une telle orientation du jet nous permet de sonder une riche variété de phénomènes physiques mal compris sur les écoulements relativistes. Les blazars montrent une émission non thermique, provenant du jet, qui est très variable sur tout le spectre électromagnétique, des radiofréquences aux rayons gamma du TeV. Le flux d’énergie peut augmenter d’un ordre de grandeur sur des échelles de temps aussi courtes que quelques minutes, un phénomène appelé “sursaut” (flare), et aussi longues que des mois ou même des années. Malgré la quantité croissante de données disponibles sur plusieurs longueurs d’onde (multi-wavelength, MWL), l’origine et les mécanismes physiques derrière les sursauts fréquemment observés dans les blazars ne sont toujours pas bien compris. De nombreuses tentatives ont été faites pour décrire les flares avec différents modèles d’émission, mais les propriétés détaillées de l’évolution temporelle des flux dans différentes bandes spectrales restent difficiles à reproduire. Afin d’identifier les processus physiques impliqués lors des sursauts de blazars, j’ai développé un code radiatif polyvalent, basé sur un traitement dépendant du temps de l’accélération des particules, de l’échappement et du refroidissement radiatif. Le code calcule l’évolution dans le temps de la fonction de distribution des électrons dans la zone d’émission du blazar et le spectre de l’émission Synchrotron Self-Compton (SSC) par ces électrons. J’ai appliqué le code à un sursaut multi-lambda géant du blazar Mrk 421, représentant de la classe des BL Lacertae, qui est le sursaut le plus brillant détecté jusqu’ici en provenance de cette source. Dans notre approche, nous considérons le sursaut comme une perturbation modérée de l’état de flux stationnaire et recherchons des interprétations avec un nombre minimum de paramètres libres. En conséquence, j’ai développé un nouveau scénario physique de l’activité observé pendant le sursaut, qui décrit l’ensemble des données, comprenant des spectres à l’état haut de la source dans différentes gammes d’énergie, et des courbes de lumière multi-lambda du domaine optique aux rayons gamma VHE. Dans ce scénario, le processus déclenchant le sursaut est l’accélération des particules par un processus de type Fermi du second ordre, dû à la turbulence qui emerge au voisinage de la région d’émission stationnaire du blazar. Dans cette thèse, j’ai également effectué une analyse des données du High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) de deux sursauts géants du blazar 3C 279, représentant de la classe des Flat Spectrum Radio Quasars (FSRQ). Enfin, j’ai contribué à la préparation du Cherenkov Telescope Array (CTA), qui est un observatoire de rayons gamma au sol de nouvelle génération, dont l’entrée en service est prévue à partir de 2022. L’instrument, qui est actuellement en cours de développement, aura des performances considérablement améliorées par rapport aux Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (IACTs) qui sont actuellement en fonctionnement, y compris une couverture spectrale sans précédent de quelques dizaines de GeV à ~300 TeV. Dans le cadre du CTA, j’ai effectué des simulations de performances optiques du Gamma-Ray Cherenkov Telescope (GCT), l’un des trois modèles proposés de télescopes de petite taille (SST) pour CTA. De plus, en utilisant les observations d’étoiles brillantes effectuées par le prototype de télescope installé sur le site de l’Observatoire de Paris à Meudon, j’ai étudié l’effet de la micro-rugosité des miroirs du télescope sur la fonction d’étalement du point (PSF) et calculé le niveau de qualité de polissage des miroirs requis pour optimiser les performances.


  • Résumé

    Many questions related to the physics of jets of Active Galactic Nuclei remain open. A particular subclass of AGN, blazars, have a jet pointing towards the Earth. Such suitable orientation of the jet allows us to probe a rich variety of poorly understood physical phenomena related to relativistic outflows. Blazars show non-thermal emission, originating from the jet, which is highly variable across the entire electromagnetic spectrum, from radio frequencies to TeV gamma-rays. The energy flux can enhance by an order of magnitude on time-scales as short as minutes, a phenomenon referred to as a “flare”, and as long as months or even years. Despite the growing amount of available multi-wavelength (MWL) data, the origin and the physical mechanisms behind the frequently observed flaring events in blazars are still not well understood. Many attempts have been made to describe the flares with different emission models, but detailed properties of flux variation patterns (light curves) in different wavebands remain difficult to reproduce. In order to identify physical processes that are involved during blazar outbursts, I have developed a versatile radiative code, based on a time-dependent treatment of particle acceleration, escape and radiative cooling. The code computes time evolution of the distribution function of electrons in the blazar emitting zone and the spectrum of the Synchrotron Self-Compton (SSC) emission by these electrons. I applied the code to a giant MWL flare of the blazar Mrk 421, a representative of the BL Lacertae class, which is the brightest VHE flare ever detected from this source. In our approach, we consider the flare as a moderate perturbation of the quiescent state and search for interpretations with a minimum number of free parameters. As a result, I developed a novel physical scenario of the flaring activity that describes the data set, comprising spectra in the high state of the source in different energy ranges, and MWL light curves from the optical domain to the VHE gamma-ray band. In this scenario, the process initiating the outburst is the second-order Fermi acceleration of particles due to turbulence arising in the vicinity of the blazar stationary emission region. In this thesis, I also performed analysis of High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) data of two giant flares of the blazar 3C 279, a representative of the Flat Spectrum Radio Quasars (FSRQ) class. Finally, I contributed to preparation of Cherenkov Telescope Array (CTA), which is a new-generation ground-based gamma-ray observatory, expected to start operations in 2022. The instrument, which is presently under development, will have greatly improved performance compared to currently operating Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (IACTs), including unprecedented spectral coverage from a few tens of GeV to ~300 TeV. In the context of CTA, I performed simulations of the optical performance of the Gamma-Ray Cherenkov Telescope (GCT), one of the three proposed designs of Small-Size Telescopes (SST) for CTA. Also, using the observations of bright stars done by the telescope prototype installed on the site of Paris Observatory in Meudon, I studied the effect of micro-roughness of the telescope mirrors on the point spread function (PSF) and calculated the level of the mirror polishing quality required to optimize the performances

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