Relevé aveugle de pulsars avec NenuFAR et étude des effets super-dispersifs

NenuFAR pulsar blind survey and study of the super-dispersive effects

• Auteur / Autrice : Mark Brionne
• Direction : Ismaël Cognard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique
• Date : Soutenance le 28/02/2023
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (2012-.... ; Centre-Val de Loire)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique et chimie de l'environnement et de l'espace (Orléans ; 2012-...)
• Jury : Président / Présidente : Sébastien Célestin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Célestin, Jason Hessels, David A Smith, Marta Burgay, Carine Briand, Jean-Mathias Griessmeier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jason Hessels, David A Smith

Mots clés

Mots clés contrôlés

Observatoire radioastronomique (Nançay, Cher)

Matière interstellaire

Ondes électromagnétiques -- Propagation

Radiotélescopes

Spectres

Radioastronomie

Recherche

Pulsars

Astrophysique

Mots clés libres

Pulsars

Relevé

Radio-astronomie

Basses fréquences

NenuFAR

Pulsars

Survey

Radio-astronomy

Low-frequency

NenuFAR

Résumé

Les pulsars sont des étoiles compactes ayant des vitesses de rotation rapides, présentant des périodes allant d'environ une milliseconde à plusieurs dizaines de secondes, et disposant d'un fort champ magnétique allant de 10¹² à 10¹⁵ G. De par le ralentissement de la rotation et un non-alignement de l'axe de rotation et de l'axe magnétique, un effet phare est généré, menant à l'observation d'impulsions radio périodiques. Le premier pulsar fut découvert en 1968, et plusieurs milliers d'autres ont été découverts depuis. Bien que les premiers pulsars furent découverts en dessous de 100 MHz, la majorité a été découverte à des fréquences supérieures à 300 MHz. NenuFAR est un nouveau radiotélescope inauguré en 2019, permettant d'observer de 10 à 85 MHz, avec une sensibilité supérieure aux précédents télescopes observant aux mêmes fréquences. En utilisant NenuFAR, un relevé à basses fréquences de pulsars de l'hémisphère nord a été initié, dans le but de trouver de nouveaux pulsars. La première partie de cette thèse présente le développement du « NenuFAR pulsar blind survey ». Le travail de cette thèse présente la première étape de ce relevé, commencé en août 2020, ayant pour but d'observer le ciel au-dessus de 39° de déclinaison. Les deux premiers chapitres expliquent la création de la grille de pointage, et l'avancée du programme d'observation associé. Le chapitre suivant détaille les différentes étapes du traitement des données, qui est une adaptation aux contraintes des basses fréquences d'un processus de recherche pour les hautes fréquences, appelé PRESTO. Finalement, le dernier chapitre présente la méthode d'analyse des candidats pulsars trouvés par le processus de recherche. La méthode utilisée est basée sur des simulations Monte-Carlo, et permet de sélectionner les candidats les plus intéressants, listés à la fin de cette première partie de la thèse. Les ondes électromagnétiques produisant les pulsations observées doivent traverser le milieu interstellaire pour aller du pulsar à la Terre. Ce milieu est un plasma, et la propagation de l'onde à travers celui-ci produit un effet de dispersion de l'onde. Depuis 1986, des effets super-dispersifs ont été proposés, correspondant à des déviations par rapport à la loi usuelle de dispersion dans un plasma froid. De manière à clairement détecter et caractériser ces déviations, plusieurs théories ont été testées depuis. La loi de dispersion dans un plasma froid est dépendante de la fréquence, menant au fait que, plus la fréquence est basse et plus l'amplitude de la dispersion de l'onde est importante. Dans ce contexte, NenuFAR est par conséquent intéressant pour deux raisons. Premièrement, il permet d'obtenir des observations à basses fréquences entre la coupure ionosphérique et 85 MHz. Deuxièmement, avec un facteur huit entre la plus basse et la plus haute fréquence, il possède une importante largeur de bande relative, facilitant l'identification de possibles variations en fréquence. De plus, les déviations cherchées devraient être de fines variations, c'est-à-dire montrant des amplitudes faibles comparées à celles de la dispersion usuelle, demandant ainsi des mesures précises. La seconde partie de la thèse présente les mesures de la dispersion réalisées sur des impulsions individuelles de pulsars puissants observés avec NenuFAR. Afin d'effectuer des mesures à de multiples fréquences sur une impulsion individuelle, une méthode de détermination de la mesure de dispersion a été développée, et est détaillée ici. Avec cette méthode, la dispersion est déterminée dans l'espace de Fourier du spectre dynamique de l'impulsion, permettant une mesure sur une fraction de l'impulsion individuelle. Finalement, les résultats de mesures sont présentés et discutés.

Pulsars are compact stars with high rotation velocity, featuring periods typically from about one millisecond to several dozens of seconds, and with a high magnetic field from 10¹² to 10¹⁵ G. Due to a spin-down effect and a misalignment between the rotation and magnetic axes, a lighthouse effect is generated, resulting in the observation of periodic radio pulsations.The first pulsar was discovered in 1968, and several thousands have been discovered since. Although the first one was discovered below 100 MHz, the majority has been discovered at frequencies higher than 300 MHz. NenuFAR is a new radio-telescope inaugurated in 2019, allowing to observe from 10 to 85 MHz, with a higher sensitivity than the previous telescopes observing at the same frequencies. Using NenuFAR, a low frequency pulsar survey of the northern sky has been initiated, aiming to find new pulsars. The first part of this thesis presents the development of the "NenuFAR pulsar blind survey''. The work in this thesis presents the first stage of the survey, which has begun in August 2020, with the aim to observe the north polar cap above 39° of declination. The two first chapters explain the creation of the pointing grid, and the progress of the associated observing program. The next chapter details the different steps of data processing, which is an adaptation of a high frequency search pipeline called PRESTO to the low frequency constraints. Finally, the last chapter presents the analysis method of the pulsar candidates found by the search pipeline. The used method is based on Monte-Carlo simulations, and allows to select the most interesting candidates, which are listed at the end of this first part of the thesis. The electromagnetic waves producing the observed pulsations must travel from the pulsar through the interstellar medium to reach the Earth. This medium is plasma, and the propagation of the wave inside it yields a dispersion effect. Since 1986, some super-dispersive effects have been proposed, corresponding to deviations relative to the usual cold plasma dispersion relation. In order to clearly detect and characterize these deviations, different theories have been tested since. The cold plasma dispersion relation is frequency dependent, resulting in the fact that, the lower the frequency is, the higher the amplitude of the dispersion of the wave. In this context, NenuFAR is therefore interesting for two reasons. First, it allows to have low frequency observations between the ionospheric cutoff and 85 MHz. Secondly, with a factor of eight between the lowest and the highest frequencies, it has an important relative bandwidth, which facilitates the identification of possible frequency dependencies. Moreover, the searched deviations might be small variations, i.e. showing a low amplitude compared to the usual dispersion, needing thereby precise measurements. The second part of this thesis presents measurements of the dispersion realized on single pulses of powerful pulsars observed with NenuFAR. In order to carry out multiple frequency measurements on single pulses, a method of determination of the dispersion measure has been specifically developed for this study, and is detailed here. With this method, the dispersion is determined in the Fourier space of the dynamic spectrum of the pulse, allowing a measure in a fraction of a single pulse. Finally, the results of measurements are presented and discussed.