La détection de sources transitoires de haute énergie avec l’instrument spatial SVOM/ECLAIRs

Soutenance de thèse de Benjamin Arcier (Salle Coriolis, OMP)

Résumé de la thèse :

Les sursauts gamma sont des phénomènes transitoires extragalactiques qui continuent d’intriguer les scientifiques, 50 ans après leur découverte. Associés à des évènements violents comme la mort d’étoiles massives, ils se décomposent en deux phases : l’émission prompte, une bouffée de photons gamma durant quelques secondes, et l’émission rémanente, détectable dans les longueurs d’onde des rayons X, du visible et de la radio jusqu’à quelques jours après l’émission prompte. Comptant parmi les phénomènes les plus lumineux de l’Univers, les sursauts gamma sont extrêmement intéressants : ils font partie des sources cosmiques les plus lointaines observées, représentant un moyen unique de sonder les populations stellaires et le milieu extra- et intra-galactique aux plus hauts redshift. Cependant, en raison de leur courte durée et de l’imprévisibilité de leur apparition dans le ciel, l’étude des sursauts gamma reste un défi, même pour l’astronomie moderne.

Le satellite SVOM, qui sera lancé fin 2023, emporte deux instruments à champ large (ECLAIRs et GRM) et deux instruments à champ étroit (MXT et VT) pour détecter, caractériser et localiser les émissions promptes et rémanentes des sursauts gamma. SVOM bénéficiera aussi d’un suivi au sol grâce à trois observatoires terrestres dédiés (GWAC, C-GFT et COLIBRI) et d’un réseau d’antennes qui permet d’alerter la communauté scientifique quelques minutes seulement après la détection du sursaut gamma.

Mon travail s’est concentré sur ECLAIRs, un imageur spatial dans le domaine des rayons X durs. Grâce à sa caméra, son masque codé et son ordinateur embarqué, il détectera et localisera en temps quasi réel les émissions promptes des sursauts gamma. De part son seuil bas en énergie, ECLAIRs sera parfaitement adapté à la détection de populations de sursauts gamma intéressantes telles que les sursauts gamma très lointains.

Au cours de ma thèse, j’ai évalué les performances d’ECLAIRs dans l’espace : j’ai combiné les caractéristiques instrumentales mesurées pendant les calibrations avec des modèles de l’émission du fond du ciel, des sursauts gamma typiques et des sources X connues pour simuler avec précision les données attendues. Ces simulations ont été utilisées par exemple pour calculer le taux de détection de sursauts gamma attendu pendant la mission et comme support pour évaluer l’impact scientifique de divers paramètres de configuration de l’instrument.

Elles m’ont également servi de cadre pour développer un algorithme de détection au sol complémentaire aux logiciels de détection embarqués, puisque ECLAIRs aura la capacité unique de transférer au sol tous les événements détectés à bord.

Une autre application a été l’évaluation de la sensibilité d’ECLAIRs aux événements transitoires courts de haute énergie de notre Univers local ( z < 0.3 ). Après avoir fourni une caractérisation de cette population, j’ai démontré qu’ECLAIRs sera capable d’en détecter la grande majorité. J’ai également discuté des synergies potentielles avec d’autres instruments de SVOM et les observatoires multi-messagers pour l’étude de ces événements proches.

Pour conclure, ma thèse a fourni un ensemble complet d’outils de simulation pour ECLAIRs avec des applications concrètes telles que le test du logiciel de vol et des pipelines SVOM. J’ai également montré que ECLAIRs sera capable de détecter et de localiser des populations uniques de sursauts gamma et d’autres évènements transitoires courts, permettant leur caractérisation multi-longueurs d’onde et multi-messagers par SVOM et les observatoires du monde entier.

Composition du jury de thèse :