Th.--Astrophys.--Toulouse 3, 1982. N°: 1045.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Astrophysique : Toulouse 3 : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. à la fin des chapitres.

Cette thèse présente les résultats de la recherche de signaux impulsionnels d'ondes gravitationnelles associés aux sursauts gamma dans les données 2009-2010 des interféromètres LIGO-Virgo. L'étude approfondie des mécanismesd'émission d'ondes gravitationnelles par les progéniteurs de sursauts gamma, ainsi que des mécanismes d'émission de rayons gamma eux-mêmes, permet de déterminer les caractéristiques essentielles du signal à détecter : polarisation, délai temporel, etc ... Cette connaissance de l'émission conjointe permet alors de construire une méthode d'analyse qui inclut les a priori astrophysiques. Cette méthode est de plus robuste vis-à-vis des bruits transitoires présents dans les données. L'absence de détection nous permet de placer des limites observationnelles inédites sur la population des sursauts gamma.

INTEGRAL (INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory) est un satellite de l'Agence Spatiale Européenne, qui est dédié à l'imagerie et la spectroscopie fines dans la bande gamma molle. Sa charge utile est composée de deux instruments principaux : le spectromètre SPI - optimisé pour la détection de rayes fines (20 keV-8 MeV), et le télescope IBIS - optimisé pour l'imagerie a haute résolution (15 keV-10 MeV). Un des but de cette thèse était de fournir à la communauté scientifique un outil nouveau pour l'étude de la variabilité du « ciel gamma ». Cet outil est l'INTEGRAL Burst Alert System (IBAS), qui examine les données d'INTEGRAL à la recherche de sursauts gamma cosmiques (Gamma-Ray Bursts, GRBs, des sources éphémères et brillantes de radiation gamma), les localise et distribue leurs coordonnées en temps réel. Ma contribution à ce système a été de conduire des simulations de l'instrument IBIS/ISGRI avant le lancement d'INTEGRAL, à fin de développer les algorithmes d'imagerie et détection rapide utilisés par IBAS, et d'implémenter, tester et maintenir le logiciel après le lancement. Grâce à ce travail IBAS fournit les meilleures prestations en termes de rapidité et précision de localisation. IBAS a détecté 19 GRBs à présent. Leur analyse détaillée est présentée ici. Du point de vue de l'émission prompte les GRBs d'INTEGRAL ne révèlent aucune nouvelle caractéristique par rapport aux sursauts détectés dans le passé. Ils sont simplement plus faibles et notre analyse a permis de confirmer que beaucoup des aspects observés dans les sursauts plus brillants s'appliquent aussi aux GRBs les plus faibles. À ce propos, on peut noter que la bande énergétique d'IBIS/ISGRI ne permet pas, dans la plupart des cas d'étudier la courbure typique des spectres des GRBs, mais néanmoins elle permet de bien déterminer la pente de la loi de puissance de basse énergie. Les résultats les plus intéressants ont été obtenus par l'observation de l'émission rémanente des GRBs d'INTEGRAL dans d'autres bandes d'énergie. Grâce à la dissémination rapide des alertes d'IBAS et à la prompte réponse des autres télescopes, on a pu fournir de nouvelles vues des premières phases de l'émission rémanente de sursauts relativement faibles. Le cas de GRB 031203, par exemple, est particulièrement intéressant : pendant l'observation de XMM-Newton de son émission rémanente, un halo variable de diffusion en bande X a été découvert. Ce sursaut a été associé spectroscopiquement avec une Supernova de type Ic (SN 2003lw), et son redshift (z=0.105) le caractérise comme un des sursaut les plus proches et faibles avec une énergie relâchée de ~10^50 ergs. IBAS fournit aussi des alertes en temps réel pour d'autres sources, mis à part les GRBs. Plus de 100 sursauts courts associés au Soft Gamma Repeater SGR 1806-20 ont été détectés, créant ainsi une grande base de données de bonne qualité. En fait, on a pu étudier leurs caractéristiques spectrales et temporelles en détail. On peut résumer nos résultats sur SGR 1806-20 ainsi : (i) pour la première fois on a une bonne évidence d'évolution spectrale des sursaut SGR faibles, qui se traduit dans une anti-corrélation entre dureté et flux à l'intérieur des sursauts ; ce nouveau résultat représente un défi pour le modèle Magnetar, qui prévoit que la température effective du sursaut varie faiblement pendant le sursaut. (ii) le monitorage de la source fait par IBAS indique que son activité est encore en croissance. Une séquence de ~100 sursauts émis en ~10 minutes, a été détectée en temps réel par IBAS le 5 Octobre 2004.

Les sursauts gamma sont des flashes très brefs et intenses de photons de haute énergie se produisant à des positions et à des temps aléatoires, avec une fréquence de deux par jour. Durant leur temps de vie, qui est en moyenne de quelques secondes, ils deviennent plus brillants que l'ensemble des sources de la voûte céleste. Leurs localisations rapides et précises ont permis la découverte de leurs contreparties dans les autres longueurs d'onde, les afterglows. Dans le domaine optique, les afterglows ont la particularité de décroître rapidement en luminosité, ce qui ne les rend visibles que peu de temps après le sursaut (quelques heures à quelques jours). Les mesures de leur décalage vers le rouge ont apporté la preuve que les sursauts gamma sont des évènements se produisant à des distances cosmologiques. Les observations d'afterglows ont aussi montré la présence de galaxies hôtes aux sursauts, et l'émergence de supernovae dans les courbes de lumière d'afterglows.<br /><br />Les modèles théoriques de sursauts gamma prédisent la présence d'une focalisation de l'émission gamma. L'observation de cassures dans un grand nombre de courbes de lumière d'afterglows optiques, conséquence attendue de cette focalisation, a permis de confirmer cette hypothèse. L'afterglow émettant dans un cône qui s'élargit avec le temps, il en découle l'existence d'afterglows qui ne sont pas associés à un sursaut gamma visible. Ceux-ci sont appelés afterglows orphelins. La recherche d'afterglows orphelins est un enjeu crucial pour la compréhension des sursauts gamma. Leur détection permettra en effet l'étude des sursauts proches et des sursauts sans émission gamma, et constituera un excellent moyen pour tester l'hypothèse de focalisation de l'émission gamma. Les quelques recherches d'afterglows optiques qui ont été effectuées jusqu'alors se sont toutes révélées infructueuses, puisque aucun afterglow n'a été identifié.<br /><br />Dans cette étude, je présente une nouvelle recherche d'afterglows optiques. Elle s'effectue dans les images d'une stratégie d'observation ayant lieu au Télescope Canada-France-Hawaii, nommée le Very Wide Survey. Elle prévoit de couvrir 1200 degrés carrés du ciel jusqu'à la magnitude r' = 22,5. Chaque champ est observé plusieurs fois, avec des intervalles de temps de l'ordre de l'heure et de la journée. Afin de traiter les images du Very Wide Survey, j'ai développé et mis en place un système d'analyse en temps réel, nommé "Optically Selected GRB Afterglows". Ce système, entièrement automatisé, crée dans un premier temps des catalogues d'objets à partir des images, puis dans un second temps compare entre eux les catalogues d'un même champ acquis à des instants différents, afin d'extraire les objets variables en luminosité, et ceux qui sont apparus ou ont disparu. Ces objets sont ensuite affichés sur une page Web où ils peuvent être validés comme candidat afterglow par un membre de la collaboration.<br /><br />Les statistiques effectuées sur les catalogues et sur les comparaisons montrent que ce système de recherche est très performant. Plus de 99,5% des images sont traitées sans encombre et rapidement, nous permettant d'envoyer des alertes à la communauté des sursauts en moins de<br />24 heures. Les objets détectés variables représentent moins de 0,01% des objets. Environ 10% d'entre eux sont de véritables objets variables qu'il nous faut séparer manuellement des fausses détections. Durant ma thèse, j'ai également développé un programme de simulation d'afterglows qui permet d'évaluer l'efficacité d'une stratégie d'observation et de calculer un nombre d'afterglows attendus suivant un modèle de sursaut donné. Les résultats des simulations montrent que notre recherche d'afterglows est de loin la plus performante ayant jamais été effectuée. Dans l'intégralité des images du Very Wide Survey, nous attendons entre 4 et 5 détections d'afterglows. Pour l'instant, notre recherche en temps réel n'a pas abouti à l'identification d'un afterglow optique avec certitude. Nous sommes néanmoins capables de proposer des contraintes sur le rapport du nombre d'afterglows sur le nombre de sursauts. La valeur supérieure limite que nous obtenons est de 12,6 afterglows par sursaut gamma, jusqu'à la magnitude 22,5 et avec 90% de confiance.

Les sursauts gamma sont des sources astrophysiques parmi les plus brillantes du ciel. Dans le modèle standard actuel, leur émission prompte (X et gamma) est due à des particules chargées accélérées au sein de jets relativistes émis à la formation de trous noirs de masses stellaire. L'émission rémanente observée de la radio aux X serait due à l'interaction de ces jets avec le milieu interstellaire. Le LAT, détecteur à création de paire du télescope spatial Fermi, permet depuis juin 2008 l'étude du ciel gamma de 20 MeV à plus de 300 GeV avec des performances inégalées. Le GBM, détecteur de sources transitoires de Fermi (8 keV à 40 MeV) a observé ~450 sursauts gamma, dont ~18 ont été observés jusqu'au domaine du GeV. Une localisation précise de ces sursauts et la synergie de Fermi avec les autres observatoires permettent l'étude des rémanences associées et une meilleure interprétation des observations. L'étude de sursauts gamma de 8 keV au domaine du GeV est présentée. Les localisations obtenues avec le LAT sont étudiées ainsi que leurs erreurs. Des analyses spectrales des émissions promptes combinant les données du GBM et du LAT sont exposées, ainsi que leur interprétation. Une analyse alternative basée sur une sélection relâchée des données LAT est présentée et caractérisée. L'utilisation des événements d'énergies inférieures à 100 MeV améliore l'analyse temporelle et spectrale des émissions promptes. La recherche d'émission gamma prolongée est présentée, ainsi que l'étude de l'émission rémanente de GRB 090510 observé des UV au GeV par Fermi et Swift. Enfin, un modèle d'émission prompte par les chocs internes, développé à l'IAP, est comparé aux observations de Fermi. / Gamma-Ray Bursts (GRB) are among the brightest gamma-ray sources in the sky. The current standard framework associates their prompt gamma-ray emission to charged particles accelerated in relativistic jets issued by newly-formed stellar-mass black holes. The radio to X-ray afterglow emission is due to the interaction between these jets and the interstellar medium.The LAT, pair-creation instrument onboard Fermi gamma-ray space telescope, performs unprecedented observation of the gamma-ray sky at energies of 20 MeV to over 300 GeV since its launch in june 2008. Fermi's transient sources detector, GBM, observed prompt emissions of ~450 GRB between 8 keV and 40 MeV. ~18 of these GRB were also studied up to GeV energies with the LAT. Accurate GRB localizations and Fermi's synergy with other observatories allows the study of GRB afterglows, and therefore a better interpretation of these observations.The analyses of GRB emissions between 8 keV to GeV energies is presented here. Localizations based on LAT data and their biases are studied. Spectral analyses of combined GBM and LAT data are shown, and their theoretical interpretations explained.An alternative analysis based on a relaxed selection of LAT data is presented and fully characterized. It allows to recover and use low-energy LAT statistics in temporal and spectral analyses of GRB prompt emission.Searches for long-lived high-energy emission from GRB are presented. The analysis of GRB 090510 afterglow emission from eV to GeV energies is described.Finally, Fermi bright GRB prompt emissions are compared to an internal shock model developed at IAP.

Les expériences d’astroparticules n’ont cessé de fleurir ces dix dernières années dans le but de connaître l’origine des rayons cosmiques et les procédés mis en œuvre dans leur accélération à des ultra-hautes énergies. Les télescopes Cherenkov tels que ANTARES détectent la lumière Cherenkov issue des muons se propageant dans l’eau de mer méditerranée. Les muons sont les produits d’interaction de neutrinos cosmiques (signal) ou atmosphériques (bruit) avec les noyaux de la terre. Pour offrir les meilleures conditions de détection de la lumière Cherenkov, et par conséquent bien reconstruire les traces des muons détectés, les détecteurs de lumière i.e les photomultiplicateurs doivent satisfaire plusieurs conditions. Le premier volet de cette thèse porte sur le développement de photomultiplicateurs utilisant le cristal comme préamplificateur de signal optique. L’avantage d’un tel procédé est la possibilité de séparer plusieurs pics photo-électrons et d’améliorer la résolution tem- porelle gra&#770;ce à un fort champ électrique. La conception d’un tel prototype et la possibilité de son industrialisation à grande échelle sont développés pour la première fois dans cette thèse. Le deuxième volet s’inscrit dans la nouvelle thématique multi-messagers d’ANTARES.Un suivi avec six télescopes optiques répartis sur chaque hémisphère est déclenché lorsque ANTARES détecte un neutrino de haute énergie ou un ensemble de neutrinos coïncidents en temps et en direction. Un tel système permet d’augmenter la sensibilité de détection de neutrinos provenant de sources transitoires tels que les sursauts gamma et les Supernovæ à effondrement de cœur. Un système d’alertes neutrino est maintenant implémenté et fonctionne continument et de manière autonome sur ANTARES. Le système offre de bonnes performances; le suivi optique se déclenche dans la minute suivant la détection neutrino et l’incertitude sur la reconstruction de la trajectoire du neutrino est de 0.4&#9702; (valeur médiane). Une fois l’alerte reu çe par un des télescopes, celui-ci se repositionne sur la direction du neutrino et entame une série d’observations réparties sur le mois suivant l’alerte. Cette thèse a porté dans un premier temps sur l’aspect neutrino en développant le filtre sélectionnant les évènements haute énergie et multi-neutrinos. Des outils d’analyse d’images optiques ont ensuite été implémentés pour la recherche de sources transitoires. Les premiers résultats de recherche de contreparties optiques de sursauts gamma en corrélation avec un signal neutrino sont présentés. / Astroparticle experiments are being developed with the aim of resolving the mystery of cosmic rays. Questions like from where cosmic rays originate or how do they get accelerated up to ultra high energies are still unresolved. Cherenkov telescopes like ANTARES detect the Cherenkov light emitted by muons propagating in the sea water. Muons are produced by the interaction of cosmic neutrinos (signal) or atmospheric neutrinos (noise) with the Earth nuclei.In order to offer the best detection conditions of Cherenkov light, and subsequently ensure a good reconstruction quality of the muons trajectory, the light sensors i.e the photomultipliers must satisfy various conditions.The first part of this thesis focuses on the development of photomultipliers using crystals as a preamplifier of the light signal. The advantage of such a method is the possibility to separate individual photo-electrons and to enhance the temporal resolution by applying a high electric field.The design and conception as well as the possibility to produce such devices at large industrial scales is for the first time developed in this thesis.The second part of the thesis is inspired from the new multi-messenger approach in ANTARES. An optical follow-up with six telescopes spread over the two hemispheres is triggered by the detection of a high energy neutrino or a set of neutrinos coincident in time and direction. Such a system enhances the sensitivity to transient sources such as Gamma Rays Bursts (GRB) or Core Collapse Supernovae. The neutrino alert system is now fully operational. The system offers good performances; the optical follow-up starts within one minute from the neutrino detection and the median angular accuracy of the reconstructed neutrinos is 0.4$^circ$.Upon the reception of an alert, the telescopes point at the neutrino direction and start the acquisition of image series almost each night of the month following the neutrino alert. Image analysis tools have been implemented to search for optical transients; First results on the search of GRB optical counterparts correlated with a neutrino signal are presented.

Cette thèse présente les résultats de la recherche de signaux impulsionnels d’ondes gravitationnelles associés aux sursauts gamma dans les données 2009-2010 des interféromètres LIGO-Virgo. L’étude approfondie des mécanismesd’émission d’ondes gravitationnelles par les progéniteurs de sursauts gamma, ainsi que des mécanismes d’émission de rayons gamma eux-mêmes, permet de déterminer les caractéristiques essentielles du signal à détecter : polarisation, délai temporel, etc ... Cette connaissance de l’émission conjointe permet alors de construire une méthode d’analyse qui inclut les a priori astrophysiques. Cette méthode est de plus robuste vis-à-vis des bruits transitoires présents dans les données. L’absence de détection nous permet de placer des limites observationnelles inédites sur la population des sursauts gamma. / In this thesis we present the results of the search for gravitational wave bursts associated with gamma-ray bursts in the 2009-2010 data from the LIGOVirgo gravitational wave interferometer network. The study of gamma-ray bursts progenitors, both from the gamma-ray emission and the gravitational wave emission point of view, yields the characteristic of the sought signal: polarization, time delays, etc ... This knowledge allows the construction of a data analysis method which includes the astrophysical priors on joint gravitational wave and gamma-ray emission, and moreover which is robust to non-stationary transient noises, which are present in the data. The lack of detection in the analyzed data yields novel observational limits on the gamma-ray burst population.

Le télescope ANTARES, déployé en mer Méditerranée à 2500 m de profondeur, est destiné à la détection de neutrinos cosmiques de haute-énergie. Le positionnement du détecteur est assuré par un système acoustique qui permet d'atteindre une précision de quelques centimètres par triangulation des distances caractéristiques des couples de modules acoustiques. Parmi les sources astrophysiques recherchées figurent les sursauts Gamma, phénomènes cataclysmiques signant la formation d'un trou noir, suscepyibles d'émettre des neutrinos détectables par ANTARES. Le développement d'une méthode d'analyse dédiée à ce type de signal est étudié dans ce travail dans un but de recherche de corrélation entre émissions gamma (détectées par des satellites) et neutrinos issus des sursauts Gamma

Thèse doctorat : Physique des Particules : Strasbourg 1 : 2004. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 6 p.