SVOM est une mission spatiale franco-chinoise qui sera lancée à la fin de l’année 2021. Son objectif est d’étudier les sursauts gamma et autres sources transitoires du ciel X et gamma. Les sursauts gamma sont des explosions cosmiques brèves et très énergétiques permettant leurs détections à des distances extrêmes. Ils apparaissent de manière aléatoire sur tout le ciel et émettent de la radiation dans une large gamme de longueurs d’ondes, allant de l’émission en infrarouge jusqu’aux rayons gamma. SVOM, qui évoluera en orbite basse autour de la Terre, sera composé de quatre instruments, sensibles du domaine visible aux rayons gamma, et sera couplé à des télescopes situés sur Terre qui effectueront des observations complémentaires dans les longueurs d’ondes allant du visible à de l’infrarouge. Le travail que je présente dans cette thèse est basé sur l’étude des performances du télescope MXT, dont l’optique est inspirée du principe de fonctionnement des “yeux des langoustes”. Elle sera mise en place pour la première fois dans le cadre de télescopes X, nécessitant donc de comprendre la réponse de cette optique. MXT est chargé d’observer, la contrepartie qui suit les sursauts gamma, dite émission rémanente, dans la gamme des rayons X entre 0,2 et 10 keV. Il joue un rôle clé dans la localisation précise de ces sources astrophysiques afin de transmettre, en temps réel, leurs positions aux télescopes situés au sol, qui observeront à leur tour, rapidement et précisément, le phénomène. Au cours de mon travail de thèse, j’ai mis en place un simulateur d’observation de MXT qui m’a permis d’estimer et d’étudier les performances attendues de l’instrument au cours de la mission. J’ai également développé des algorithmes de localisation qui seront implémentés à bord du satellite. Ceux-ci m’ont ensuite permis de tester les capacités de localisation de MXT à partir d’une base de données des rémanences de sursauts gamma et de montrer que 50% de ces rémanences seront localisées plus précisément que la minute d’arc. J’ai enfin appliqué une partie de mes modélisations numériques dans le cas de sources d’ondes gravitationnelles afin d’évaluer la détection des contreparties X d’étoiles à neutrons binaires. / SVOM is a Sino-French space mission to be launched at the end of 2021. Its objective is the study of gamma-ray bursts (GRBs) and other transient high energy sources. These GRBs are very powerful cosmic explosions that can be detected at extreme distances. They appear randomly on all the sky and emit radiation in a wide wavelength range, from the infrared emission to gamma rays. SVOM space mission will shed new light on the physical phenomena associated to GRBs by detecting and observing them in real time over a wide energy range. The satellite, which will be injected on a low Earth orbit, will carry four instruments sensitive from the visible to the gamma-ray domain. Ground based telescopes will complement the space borne ones and will allow for follow-up observations from the visible to the infrared band. The MXT instrument, whose optics are based on the “lobster eyes” principle, will observe GRBs soft X-rays counterparts (afterglows) between 0.2 and 10 keV. This optics will be used for the first time for an X-ray telescope which means to characterize this optics. MXT will play a key role in the localization of these astrophysical sources that will be transmitted, in real time, to ground based instruments allowing for fast and precise observations. During my thesis, I developed an MXT observation simulator in order to predict the performances of the instrument during the mission. I also developed localization algorithms to be implemented on board the SVOM satellite and made use of the state of the art knowledge about X-ray afterglows in order to predict the localization capabilities of MXT. I demonstrated thaht 50% of these afterglows will be localized with a better precision than the arc-minute. I finally applied my simulation tools in the case of gravitational wave sources and, in particular, to assess the capabilities of MXT to observe bright X-ray counterparts of binary neutron star mergers.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la mission Sino-française SVOM (Space-based multi-band Variable Object Monitor) dédiée à l'étude des sursauts gamma à l'horizon 2020. Ces explosions cosmologiques très intenses apparaissent aléatoirement sur le ciel comme des bouffées de photons très brèves (de quelques milli-secondes à quelques minutes). Ils sont engendrés par la formation catastrophique de trous noirs dans le cœur de certaines étoiles massives en effondrement gravitationnel ou par la coalescence de deux objets compacts et se caractérisent par de puissants jets ultra-relativistes orientés vers la Terre. SVOM permettra d'étudier la nature des progéniteurs, les mécanismes d'accélération des particules et les processus d'émission associés, la géométrie des jets et leurs compositions. Le satellite implémentera une charge utile multi-longueur d'onde dont le cœur sera la caméra grand-champ à masque codé, ECLAIRs, en charge de la détection et de la localisation des sursauts gamma entre 4 et 150 keV. Ma thèse a pour objectif de caractériser les performances scientifiques des modules de détection XRDPIX (i.e. un hybride de 8x4 détecteurs couplés à une électronique bas bruit) qui paveront le plan de détection, DPIX, de la caméra. Pour ce faire, je discute ma méthodologie pour caractériser les impacts des paramètres instrumentaux sur les performances des XRDPIX en me basant sur les résultats des nombreuses campagnes de tests que j'ai menées sur plusieurs modules au moyen d'un banc de test vide-thermique dédié et de sources radioactives. J'étudie la contribution des différentes sources de bruit en développant un modèle me permettant de contrôler la qualité du processus d'hybridation des détecteurs avec leur électronique de proximité. Je délimite la zone de fonctionnement optimale pour le vol des modules de détection en étudiant statistiquement l'impact des différents paramètres instrumentaux sur leur bruit et leur efficacité de comptage. Je mets en évidence l'apparition de comportements instables sur quelques voies dans certaines configurations. Je discute le protocole expérimental mis en place pour caractériser la nature de ces instabilités ainsi que les solutions envisagées. J'optimise les critères de sélection des détecteurs pour le modèle de vol à partir de mesures spectroscopiques et de courant de fuite effectuées sur une population de 12000 détecteurs. Finalement, je présente les résultats d'essais réalisés à l'accélérateur TANDEM pour caractériser l'impact des particules chargées (protons de 20 MeV et particules alpha de 30 MeV) sur la chaine électronique d'ECLAIRs. / Gamma-ray bursts (GRBs) are short and very intense flashes of X-/gamma-ray photons lasting from few milliseconds to hundreds of seconds appearing randomly over the sky. These cosmological events are thought to be due to the catastrophic formation of newly formed black holes following the collapse of some massive stars or after the coalescence of two compact objects and resulting in the launch of powerful ultra-relativistic jets orientated towards the Earth. The Sino-French mission SVOM (Space-based multi-band Variable Object Monitor) is dedicated to the study of these extreme and fascinating transient events and expected to be launched in 2020s. The satellite will implement a multi-wavelength science payload amongst which the core will be the large-field coded-mask camera ECLAIRs in charge of the detection and the localisation of GRBs in the 4-150 keV range. The ECLAIRs detection plane, DPIX, is made of 80x80 Schottky CdTe semi-conductor detectors and the front-end electronics. During my PhD, I mainly worked on the characterization of the scientific performance of the elementary detection modules called XRDPIX (i.e. a hybrid made of 8x4 detectors coupled with a low-noise ASIC) that will paved the DPIX. The main goal is then to derive the best suitable choice of the instrumental parameters in order to optimize the camera in-flight performance. In the manuscript, I discuss the methodology I used to explore the instrument parameter space. I describe the various testing protocoles that I created and the different tests that I performed using several XRDPIX modules in a thermal-vacuum chamber and irradiated with radioactive sources. I discuss in detail the results and the various observables that I used to define the optimal in-flight operating zone of the detection plane. I also study the contribution of the different noise sources coming from the detectors and the electronic chain with a model I designed in order to control the quality of the hybridization process. I also highlight evidence for instable behaviors of some XRDPIX channels. I describe the experiments performed in order to investigate their nature and I discuss the possible solutions to mitigate their impacts of the overall XRDPIX performance. Finally, I study the impact of particles on the ECLAIRs X/?-ray camera electronic chain.

La mission Franco-chinoise SVOM (Space based multi-band Variable astronomical Object Monitor), est dédiée à l'étude des sursauts ƴ, intenses et brèves bouffées de photons en X et ƴ, associées à la formation catastrophique de trous noirs. SVOM embarquera en 2021 quatre instruments observant du visible jusqu'aux rayonnements ƴ. ECLAIRs, télescope principal, est une caméra à masque codé capable de détecter et localiser, environ 200 sursauts pendant les trois années de vie de la mission. Son plan de détection compte 6400 détecteurs CdTe à contact Schottky, qui sont regroupés en matrice de 32 formant un module. Le plan est divisé en huit secteurs électroniquement indépendants, composés chacun de 25 modules. Chaque électronique est dédiée à la lecture et au codage du temps, de la position, de la multiplicité et des énergies des événements détectés sur un secteur. La validation des fonctionnalités de l'électronique de lecture a permis de s'assurer du bon codage des événements, d'estimer les limites de l'électronique et de construire un modèle analytique de correction efficace des événements perdus. Une application à une courbe de lumière d'un sursaut brillant a permis de valider théoriquement ce modèle et des mesures réalisées sur le prototype ont permis de le valider expérimentalement. D'autre part, un modèle complet de la réponse spectrale a été construit afin de caractériser chaque détecteur pavant le secteur du prototype et d'estimer la réponse du plan de détection des photons mono-énergétiques. Les processus physiques des interactions rayonnement-matière ont été simulés ainsi qu'un modèle de perte de charges puis une convolution gaussienne permet de considérer le bruit électronique. Ce modèle, comptant six paramètres libres, est ajusté à des spectres réalisés sur le prototype. L'étude des paramètres extraits caractérise les performances de chaque détecteur dans toutes les configurations de tension et de t peaking et permet d'optimiser les performances de l'instrument. / The french-chinese mission SVOM (Space-based multi-band variable Astronomical Object Monitor), is dedicated to the study of ƴ-rays bursts, brief and intense X and ƴ photons flashes, associated with the catastrophic formation of black holes. SVOM will embark in 2021 four instruments observing from the visible to ƴ rays. ECLAIRs, the main telescope, is a coded mask camera able to detect and locate, about 200 bursts during the three years nominal life time of SVOM. Its detection plan counts 6400 Schottky CdTe detectors, grouped into a matrix of 32 pixels forming a module. The plan is divided into eight electronically independent sectors, each consisting of 25 modules. Each electronic is dedicated to read and encode, the time, the position, the multiplicity and the energies of the detected events on a sector. The validation of each functionality of the readout electronics allows to ensure the correct encoding of the events, to estimate the limits of the electronics and to build an analytical model of lost events efficient correction. An application to a lightcurve of a bright GRB permits to validate theoretically this model and measurements carried out on the prototype validates it experimentally. On the other hand, a complete model of the spectral response has been established to characterize each detector on the sector of the prototype and to estimate the response of the plan of detection of the mono-energetic photons. The physical processes of the radiation-matter interactions are simulated as well as a model of lost charges then a Gaussian convolution takes into account the electronic noise. This model, counting six free parameters, is fitted to spectra measured on the prototype. The study of the extracted parameters characterizes the performance of each detector in every voltage and t peaking configurations optimizing the performance of the instrument.

Gamma Ray Burst (GRB) are very bright cosmological explosions signalling the catastrophic formation of a black hole. Therefore, they act like real light beacons that could be detected through-out the Universe and be used as probes to study the contents and phases of the early Universe. However, only a handful sample is known so far. This is for two reasons: instrumental biases that may prevent their detection and the difficulty to find a near Infrared counterpart preventing their redshift measurements. The wide-field trigger camera ECLAIRs to-fly on-board the Space-based multi-band Variable Object Monitor (SVOM) mission will detect γ-/X-ray transients down to energies of 4 keV, as well as creating an alert for multi-wavelength/messenger follow-ups. My study focuses on analysing how ECLAIRs will detect GRBs, and more particularly high-redshift GRBs, based on a well-selected sample of GRBs with redshift measurement associated (see Section 2). Studying how ECLAIRs will see them may help identifying possible instrument biases as well as common observational characteristics for such GRBs that may be used in turn to recognise such special GRBs once SVOM will be launched. Using software tools developed within the ECLAIRs collaboration, I built an end-to-end simulator which I used to simulate the detection by ECLAIRs of the GRBs in the sample at their original redshift and higher redshifts (up to z = 15). I implemented a suited version of the count-rate trigger on-board ECLAIRs to assess the detectability of these bursts, and I retrieved their duration over the background when detected (see Section 2). The analysis shows good performance for detecting high-redshift GRBs in the centre of the Field of View (fully-coded), but significantly reduced, in comparison to other GRBs, for partially-coded detection. 5 of the GRBs with z > 3.83 present a successful detection up to at least z = 15 (see Section 3). The retrieved rest-frame duration of a GRB remains constant for several redshifts in the simulations if the detected burst did not present a low-flux emission in their lightcurve, which is common for high redshift GRBs. On the other hand, if the original lightcurve of a burst presents this low-flux emission, it becomes buried in noise when simulating it at higher redshifts. This confirms the tip-of-the-iceberg detection bias which depends on the lightcurve burst morphology, and it may explain why the current sample seems to present lower burst durations at higher redshifts.