Development of a general-purpose sky simulator for Low Earth Orbit wide-field X/gamma-ray instruments and its application to the assessment of SVOM/ECLAIRs trigger performance

Soutenance de thèse de Sujay Mate

Résumé de la thèse :

Les sursauts gamma (Gamma-Ray Bursts ou GRBs) sont les explosions les plus lumineuses de l’univers. On les observe sous la forme de bouffées de rayons X/γ (d’une durée de quelques millisecondes à quelques dizaines de secondes) suivies d’une émission rémanente (généralement à de plus grandes longueurs d’onde). Ils résultent soit de la fusion de deux objets compacts (une paire d’étoiles à neutrons ou une étoile à neutrons et un trou noir), soit de l’effondrement du noyau d’une étoile massive (>15M ). Les GRBs sont d’excellents candidats pour étudier la physique aux énergies et densités extrêmes et un outil astrophysique pour sonder l’histoire de l’univers car ils sont observés à tous les âges de celui-ci.

La mission spatiale Sino-Française SVOM (lancement prévu en juin 2022) a pour objectif la détection et l’étude des GRBs à l’aide d’instruments spatiaux et terrestres dédiés afin d’obtenir une couverture multilongueur d’onde. Le principal instrument à bord du satellite SVOM est ECLAIRs, un imageur à masque codé à grand champ de vue (∼ 2 sr) fonctionnant dans la bande d’énergie de 4 à 150 keV. ECLAIRs détectera et localisera les GRBs (ainsi que d’autres sources transitoires à hautes énergies) en temps quasi réel grâce à son « trigger » embarqué.

Le bruit de fond d’ECLAIRs est élevé et variable en raison du grand champ de vue et de la stratégie de pointage de SVOM qui amène la Terre à transiter dans le champ de vue. Une nouvelle méthode (appelée « Particle Interaction Recycling Approach » ou PIRA en anglais), basée sur des simulations de Monte-Carlo (GEANT4), a été développée pour estimer précisément et rapidement le bruit de fond variable. Les simulations du bruit de fond sont complétées avec des sources X et des sursauts gamma afin de générer des scénarios d’observation complets.

Le bruit de fond variable d’ECLAIRs pose des  problèmes pour la détection des GRBs et affecte la sensibilité de l’instrument. Nous avons évalué les performances du «trigger » embarqué, notamment l’impact du bruit de fond sur la détection des sources transitoires et sa sensibilité aux caractéristiques des GRBs (durée, profil temporel, forme spectrale, position dans le champ de vue).

ECLAIRs enverra au sol tous les photons détectés. De plus, la disponibilité d’une plus grande puissance de calcul et une meilleure connaissance du contexte (par exemple, les variations du bruit de fond, les sources dans le champ de vue, etc.) au sol, nous ont conduits à développer un « trigger » sol pour surmonter les difficultés rencontrées par le « trigger » embarqué. Ainsi, nous proposons un algorithme basé sur des transformées en ondelettes pour détecter les GRBs dans le cadre du « trigger » sol.

Les travaux de cette thèse, à savoir le développement de PIRA, l’évaluation des performances et le développement d’un nouvel algorithme de détection de sursauts, fournissent une base solide pour construire un « trigger » sol efficace, qui complétera le « trigger » embarqué et améliorera les performances globales de la mission SVOM.

Composition du jury de thèse :

• Lorenzo NATALUCCI (INAF/IAPS, Rome, Italy) – Reviewer
• Melania DEL SANTO (INAF/IASF, Palermo, Italy) – Reviewer
• Dipankar BHATTACHARYA (IUCAA, Pune, India) – Examiner
• Natalie WEBB (IRAP, Toulouse, France) – Examiner
• Philippe LAURENT (CEA Paris Saclay, France) – Examiner
• Stéphane SCHANNE (CEA Paris Saclay, France) – Examiner
• Laurent BOUCHET (IRAP, Toulouse, France) – Thesis supervisor
• Jean-Luc ATTEIA (IRAP, Toulouse, France)  – Thesis co-supervisor
• Philippe GUILLEMOT (CNES, Toulouse, France) – Invited member