Student : HEUSSAF Vincent
Advisors : ATTEIA Jean-Luc, ZOLNIEROWSKI Yves
Start : Octobre 2012
Group : GAHEC
Sujet :
Les sursauts gamma sont des explosions stellaires plus brillantes que les supernovae qui constituent donc des sondes privilégiées de l’univers lointain. Le sujet de la thèse consiste à utiliser ces sources comme sondes cosmologiques pour étudier la dynamique de l’expansion de l’univers et l’évolution du taux de formation des trous noirs stellaires au cours de la vie de l’univers. Ces études demandent l’utilisation d’un catalogue de sursauts gamma standardisés dont la constitution sera la première étape du travail de l’étudiant(e).
Constitution d’un échantillon standardisé de sursauts gamma:
Le travail de thèse se décomposera en deux phases : dans un premier temps il faudra établir un catalogue de sursauts gamma dont le redshift et les principales caractéristiques spectrales et temporelles sont mesurés. Cet échantillon de 150 sursauts environ reposera pour l’essentiel sur les données du satellite Swift et plus particulièrement sur celle de l’instrument BAT qui enregistre des sursauts gamma depuis la fin 2004. Cet échantillon servira à l’étalonnage des corrélations entre diverses observables des sursauts gamma et leur luminosité, ce qui permettra la constructiond’un échantillon de sursauts gamma standardisésdont le redshift et la luminosité sont connus. Cet échantillon servira aux études cosmologiques décrites ci-dessous, mais il pourra aussi être publié pour être utilisé par une communauté plus large, qui souhaite utiliser les sursauts gamma sans refaire l’analyse des données issues du satellite.
Etude de l’énergie noire :
Le diagramme redshift-luminosité (diagramme de Hubble) des supernovae de type Ia distantes a mis en évidence une accélération de l’expansion de l’univers. Ce fait ne peut se comprendre, dans le cadre de la relativité générale, que par la présence d’une forme d’énergie de pression suffisamment négative, appeléeénergie noire, comme la constante cosmologique. Les données actuelles semblent favoriser cette solution qui n’est que peu satisfaisante d’un point de vue théorique et qui n’apporte pas de réponse à plusieurs questions fondamentales. De très nombreux modèles alternatifs ont été proposés pour expliquer cette observation. Un des modèles les plus souvent discutés dans les travaux publiés estle modèle de quintessencequi introduit un champ scalaire évoluant dans un potentiel pour reproduire les observations.
La détermination des paramètres cosmologiques d’un modèle donné ne peut se faire sans la combinaison de plusieurs observables comme le spectre de fluctuations du fond cosmologique de rayonnement, les supernovae de type Ia ou les oscillations de baryons, du fait des dégénérescences entre paramètres. Un avantage des sursauts gamma est lié au fait que ces objets couvrent une gamme de redshift beaucoup plus grande que les supernovae ou les galaxies utilisées pour la mesure des oscillations de baryons. Ils sont de ce fait un lien entre les observables à bas redshift et celles à grand redshift. Par contre ces objets ne sont pas des chandelles standard et sont difficiles à calibrer du fait d’une statistique limitée d’objets à petit redshift. Des travaux récents ont montré néanmoins que les corrélations entre les observables de ces objets permettent de s’approcher d’une standardisation.
L’échantillon de sursauts standardisés obtenu précédemment sera utilisé pour combiner les objets sélectionnés avec les autre observables cosmologiques. Trois approches ont été développées pour calibrer les corrélations entre observables des sursauts gamma. Chacune de ces approches ayant ses avantages et ses défauts, une statistique plus importante d’objets bien identifiés permettra de mieux maîtriser cette phase essentielle pour l’utilisation des sursauts gamma en cosmologie. L’échantillon sélectionné et étalonné sera ensuite combiné avec les trois observables cosmologiques les plus couramment utilisées (fond cosmologique de rayonnement, supernovae de type Ia, oscillations de baryons) pour déterminer les paramètres cosmologiques de modèles de quintessence variable. Pour ce travail, un programme de combinaison d’observables basé sur la méthodedes chaînes de Markovutilisant les supernovae et les échelles caractéristiques du fond cosmologique de rayonnement et des oscillations de baryons, sera mis en œuvre pour obtenir une évaluation rapide des paramètres des modèles considérés. Les contraintes utilisant l’ensemble des données disponibles pour chacune des observables cosmologiques, seront obtenues en développant un module « sursauts gamma » pour le code COSMOMC qui est l’un des logiciels plus utilisés par la communauté des cosmologistes.
Evolution du taux de formation des trous noirs stellaires :
L’échantillon standardisé de sursauts gamma sera aussi utilisé pour mesurer l’évolution des sursauts gamma en luminosité et en densité. La mesure de la distribution des sursauts gamma en redshift et en luminosité, et la connaissance des effets de sélection qui affectent leur détection, permettront de vérifier si la luminosité des sursauts gamma a évolué entre l’époque de la formation des premières galaxies et l’époque actuelle et si leur taux de production a suivi celui de la formation stellaire.
Contexte de réalisation de la thèse :
La thèse se déroulera à L’IRAP, avec des visites au Laboratoire d’Annecy-le-vieux de Physique des Particules, pour la seconde moitié du travail. Les encadrants possèdent une grande expérience du traitement des sursauts gamma et des problèmes cosmologiques. Le travail d’analyse des données sera basé sur l’utilisation de quelques centaines de sursauts gamma du satellite Swift et le travail théorique reposera sur l’utilisation du code COSMOMC développé pour étudier les contraintes cosmologiques issues d’observables astronomiques.