Thèses sur le sujet « Gamma-rays: burst »

Gamma–Ray Bursts (GRBs) are the most distant objects ever detected after the recombination epoch. They consist of a short intense emission episode of gammarays (10 keV–2 MeV) with typical duration between 10−2 and 103 seconds. This is called the “prompt” emission phase. GRBs are classified, according to their observed duration, into short GRBs (lasting less than 2s) and long GRBs (lasting more than 2 s). During the prompt phase GRBs are the brightest objects in the gamma–ray sky. The gamma–ray prompt emission is accompanied by a long lasting emission, called “afterglow”, covering the whole spectral range from the radio to the X– rays. The afterglow emission can be observed up to months after the prompt phase ceased. After the discovery of the GRB afterglow made possible by the Dutch-Italian satellite BeppoSAX, and the confirmation of their cosmological origin, the GRB community reached a general consensus about the nature of these sources which led to the formulation of the so called “standard fireball model”. This model was able, until recently, to account for most of the observational properties of the both the prompt and the afterglow emission. In this scenario, long GRBs are thought to be produced by the core collapse of massive stars. The gamma–ray prompt emission is produced by the “internal shocks” developed by the collisions of different plasma shells ejected by the central engine with different Lorentz factors. The afterglow emission is due to the “external shock” produced by the deceleration of a relativistically expanding fireball by the external medium. The leading radiative mechanism responsible for the prompt and the afterglow emission is synchrotron radiation by electrons accelerated at the internal/external shocks. An important assumption of the standard model is that both the optical and the X–ray afterglows are produced by the same mechanism, taking place in the same region. The launch of the Swift satellite (in November 2004), in synergy with the available network of automatic ground based optical telescopes, signed a remarkable improvement (a kind of “revolution”) of our ”view” of GRB afterglows. Thanks to the fast repointing capabilities of Swift, now X–ray and optical afterglows can be observed starting only few minutes after the prompt GRB emission. Before the launch of Swift, instead, afterglow observations started typically several hours after the burst detection. This new observational window, opened on the early times afterglow emission, unveiled a picture that is much more complex than what had been seen before Swift when the optical and X–ray light curves were usually well described by simple power law decays. The early time light curves observed in the X–rays (and sometimes in the optical), show different phases characterised by different decay indices, chromatic breaks and sudden rebrightenings. Another important finding of Swift is the fact that often the GRB optical light curve does not track the X– ray one. This cannot be explained in the framework of the standard model which assumes that both the X–ray and the optical emission have the same origin and, therefore, should behave similarly. For this reason, in the last few years, several alternative models have been proposed in order to account for the new “afterglow picture” depicted by the Swift observations. Most of these models, however, try to reconcile the observed X–ray and optical light curve complexity through some modifications of the standard afterglow model. Usually, these alternative scenarios assume, as in the standard model, that the optical and X–ray emission are due to the same emission mechanism operating in the same emitting region and therefore suffer of the same main problem of the standard model i.e. they can hardly reproduce the diverse light curves of the optical and X–ray emission of individual GRBs. My thesis is devoted to the study of this issue, i.e. the study of the GRB afterglows to understand the physical mechanisms that produce the observed optical and X–ray emission. The aim of my thesis is to study and to test with the available observations a possible alternative scenario to the standard model that fails to explain the complex behaviour of the X-ray and optical afterglow emission of GRBs. To this aim I studied the intrinsic (i.e. rest frame) afterglow properties simultaneously taking into account the optical and X–ray light curves. This is possible exploiting the rich broad band follow up that is now available for a large number of events. I analysed the optical luminosities of long GRBs finding an unexpected clustering and bimodality of the optical luminosity distributions. I proved that these results are not due to observational selection effects and that the X–ray luminosity are not in agreement with what found in the optical. These results can hardly be explained in the framework of the standard afterglow model. Together with the group I am working with, I analysed the light curve of the optical and X–rays rest frame luminosity of a sample of 33 long GRBs. We modelled the broad band light curve evolution as due to the sum of two separate components, contrary to the usual assumption of a common origin of the optical and X–ray emission. We obtain a good agreement with the observations, accounting for the light curves complexity and diversity. This two component model makes predictions about the broad band spectral energy distribution (SEDs), that I tested analysing the observed SEDs. Through this analysis I confirm that our two component model is consistent with the observed data also form the spectral point of view. This led us to propose a new view of the afterglow emission mechanism following the so called late prompt scenario proposed by Ghisellini et al. 2007. According to our view, the central engine activity lasts for long time (up to months after the trigger) keeping on producing slower shells that are responsible for the emission of optical and X–ray radiation that competes with the standard forward shock emission. This generates the complexity of the observed broad band light curves and explains the diversity between the optical and X–ray temporal evolution. We suggest that the late time activity of the central engine is sustained by the accretion of the material that failed to reach the escape velocity from the exploding progenitor star, and falls back. The presence of this mechanism is strengthened by the similarity between the temporal evolution of the late prompt component, and the expected time profile of the accretion rate of the fall back material.

Les phénomènes explosifs qui se produisent dans l'Univers à haute énergie sont capables d'accélérer les particules jusqu'aux énergies les plus élevées. Ces processus produisent des particules secondaires de nature différente, c'est-à-dire des photons et des neutrinos. Dans des cas particuliers, ces événements induisent des perturbations sur l'espace-temps, c'est-à-dire des ondes gravitationnelles détectables par des interféromètres sur Terre. La combinaison des informations complémentaires fournies par ces messagers cosmiques peuvent permettre de répondre à des questions ouvertes en astrophysique. Parmi les événements les plus violents qui produisent de tels signaux figurent la fusion des deux objets les plus denses, comme les étoiles à neutrons et les trous noirs ou l'activité accréatrice dans les galaxies sur un trou noir supermassif. Dans ce travail, nous nous concentrons sur les photons à très haute énergie que produisent ces événements extrêmes, et sur la connexion avec les autres contreparties, afin de fournir une image globale multi-messagers qui permet l'étude des mécanismes physiques en place. Les défis inhérents à l'astronomie multi-messager dans le domaine temporel, ce qui implique un effort mondial coordonné et simultané entre les installations et les disciplines astronomiques, sont discutés et abordés. Une nouvelle stratégie d'observation optimisée du suivi de l'eau souterraine pour les petits et moyens instruments de FoV comme le H.E.S.S. et le futur CTA, capable d'apporter une réponse rapide aux alertes, qui prend en compte les risques caractéristiques de l'événement GW et maximise les chances de détecter la contrepartie électromagnétique, sera présentée. Cette stratégie s'est avérée fructueuse lors d'observations de suivi avec les télescopes H.E.S.S., et en particulier dans le cas de la première detection de la fusion d'une binaire d'étoiles à neutrons, GW170817. Dans le cadre du réseau AMON, une analyse multi-messagers qui combine des événements d'ondes gravitationnelles avec des données HAWC a été développée dans le but d'identifier les coïncidences astrophysiques à partir d'événements indépendants. De plus, la découverte par H.E.S.S. en très hautes énergies du noyau galactique actif OT 081, lors d'un état de flux élevé en juillet 2016, sera présentée
The explosive phenomena occurring in the high-energy Universe are able to accelerate particles up to the highest energies. These processes produce secondary particles of different nature, i.e. photons and neutrinos. In special cases, these events induce perturbations on the space-time, i.e. gravitational waves detectable by interferometers on Earth. The combination and the complementary information provided by these cosmic messengers may allow to answer open questions in astrophysics, as the origin of cosmic rays. Amongst the most violent events producing such signals are the merge of the two densest objects, as neutron stars and black holes or the accretion activity in galaxies onto a supermassive black hole. In this work, we focus on the very-high energy photons that these extreme events produce, and the connection with the other counterparts, in order to provide a broad multi-messenger picture which enables the study of the physical mechanisms in place. The challenges inherent to time-domain multi-messenger astronomy are discussed and tackled, which involves simultaneous coordinated worldwide effort across facilities and astronomical disciplines. A novel, optimized GW follow-up observation strategy for small/mid- FoV instruments as H.E.S.S. and the future CTA, able to perform a rapid response to alerts, which considers the characteristics of the GW event and maximizes the chances to detect the electromagnetic counterpart will be presented. This strategy was proven successful in follow-up observations with the H.E.S.S. telescopes and in particular in the case of the first ever detected binary neutron star merger, GW170817. In the context of the AMON network, a multi-messenger analysis that combines gravitational wave events with HAWC data, with the aim to identify astrophysical coincidences out of independent events, has been developed. In addition, the discovery by H.E.S.S. in very-high energies of the active galactic nucleus OT 081, during a flaring episode in July 2016, will be presented

Thesis (Ph. D.) -- University of Maryland, College Park, 2008.
Thesis research directed by: Dept. of Physics. Title from t.p. of PDF. Includes bibliographical references. Published by UMI Dissertation Services, Ann Arbor, Mich. Also available in paper.

Previous studies have shown that the incidence rate of intervening strong Mg II absorbers towards gamma-ray bursts (GRBs) were a factor of 2-4 higher than towards quasars. Exploring the similar sized and uniformly selected legacy data sets XQ-100 and XSGRB, each consisting of 100 quasar and 81 GRB afterglow spectra obtained with a single instrument (VLT/X-shooter), we demonstrate that there is no disagreement in the number density of strong Mg II absorbers with rest-frame equivalent widths W-r(lambda 2796) > 1 angstrom towards GRBs and quasars in the redshift range 0.1 less than or similar to z less than or similar to 5. With large and similar sample sizes, and path length coverages of Delta z = 57.8 and 254 : 4 for GRBs and quasars, respectively, the incidences of intervening absorbers are consistent within 1 sigma uncertainty levels at all redshifts. For absorbers at z < 2.3, the incidence towards GRBs is a factor of 1.5 +/- 0.4 higher than the expected number of strong Mg II absorbers in Sloan Digital Sky Survey (SDSS) quasar spectra, while for quasar absorbers observed with X-shooter we find an excess factor of 1.4 +/- 0.2 relative to SDSS quasars. Conversely, the incidence rates agree at all redshifts with reported high-spectral-resolution quasar data, and no excess is found. The only remaining discrepancy in incidences is between SDSS Mg II catalogues and high-spectral-resolution studies. The rest-frame equivalent-width distribution also agrees to within 1 sigma uncertainty levels between the GRB and quasar samples. Intervening strong Mg II absorbers towards GRBs are therefore neither unusually frequent, nor unusually strong.

Multi-messenger astronomy is a very hot topic in the astrophysical community. A messenger is something that carries information. Different astrophysical messenger types are photons, cosmic rays, neutrinos, and gravitational waves. They all carry unique and complementary information to one another. The idea with multi-messenger astronomy is that the more different types of messengers one can obtain from the same event, the more complete the physical picture becomes. In this thesis I study the multi-messenger emission from gamma-ray bursts (GRBs), the most luminous events known in the Universe. Specifically, I study the connection of GRBs to extremely energetic particles called ultra-high-energy cosmic rays (UHECRs). UHECRs have unknown origin despite extensive research. GRBs have long been one of the best candidates for the acceleration of these particles but a firm connection is yet to be made. In Paper I and Paper II, we study the possible GRB-UHECR connection by looking at the electromagnetic radiation from electrons that would also be accelerated together with the UHECR. My conclusion is that the signal from these electrons does not match current GRB observation, disfavoring that a majority of UHECRs comes from GRBs.
”Multi-messenger astronomy” (mångbudbärarastronomi, fri översättning) är ett väldigt aktuellt område inom astrofysiken just nu. En meddelare är någonting som bär på information. Olika meddelartyper inom astrofysiken är fotoner, kosmisk strålning, neutriner och gravitations vågor. Dessa har alla unik och olika typ av information som kompletterar varandra. Idén bakom multi-meddelare-astronomi är att ju fler olika meddelartyper vi kan upptäcka från samma event, desto mer komplett blir vår fysikaliska tolkning. I denna avhandling studerar jag multi-meddelare emission från gammablixtar (GRBs), de mest ljusstarka företeelser vi känner till i Universum. Mer specifikt, så studerar jag kopplingen mellan GRBs och ultraenergetisk kosmisk strålning (UHECRs). Ursprunget till UHECRs är fortfarande okänt trots långt pågående forskning. GRBs har länge varit en av de mest lovande accelerationskandidaterna men än så länge finns inga fasta bevis. I Paper I och Paper II studerar vi den möjliga GRB-UHECR kopplingen genom att studera den elektromagnetiska strålningen från elektronerna som även de skulle bli accelererade tillsammans med UHECRs. Min slutsats är att strålningen från elektronerna inte matchar observationer från GRBs, vilket talar emot att en majoritet av UHECRs kommer från GRBs.

Thesis (Ph.D.)--Tufts University, 2002.
Adviser: Alexander Vilenkin. Submitted to the Dept. of Physics. Includes bibliographical references (leaves 95-98). Access restricted to members of the Tufts University community. Also available via the World Wide Web;

With respect to the current IACTs, CTA will cover a larger energy range (~20 GeV - 300 TeV) with one order of magnitude better sensitivity. The facility will be provided with a real-time analysis (RTA) software that will automatically generate science alerts and analyse data from on-going observations in real-time. The RTA will play a key role in the search and follow-up of transients from external alerts (i.e. from on-space gamma-ray missions, observatories operating at other energy bands or targets of opportunity provided by neutrinos and gravitational waves detectors). The scope of this study was to investigate the ctools software package feasibility for the RTA, adopting a full-field of view maximum likelihood analysis method. A prototype for the RTA was developed, with natively implemented utilities where required. Its performance was extensively tested for very-short exposure times (far below the lower limit of current Cherenkov science) accounting for sensitivity degradation due to the non-optimal working condition expected of the RTA. The latest IRFs, provided by CTA Performance, were degraded via effective area reduction for this purpose. The reliability of the analysis methods was tested by means of the verification of Wilks' theorem. Through statistical studies on the pipeline parameter space (i.e. minimum required exposure time), the performance was evaluated in terms of localization precision, detection significance and detection rates at short-timescales using the latest available GRB afterglow templates for the source simulation. Future improvements involve further tests (i.e. with an updated population synthesis) as well as post-trials correction of the detection significance. Moreover, implementations allowing the pipeline to dynamically adapt to a range of science cases are required. Prospects of forthcoming collaboration may involve the integration of this pipeline within the on-going work of the gamma-ray bursts experts of CTA Consortium.

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

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/ƴ (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 (>15 masse solaire). 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 multi-longueurs 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
Gamma-Ray Bursts (GRBs) are the most luminous explosions in the universe. They are observed as bright flashes of gamma/X-rays (lasting a few milliseconds to a few tens of seconds) followed by an "afterglow" emission (usually at longer wavelengths). They are produced either due to the merger of two compact objects (a pair of neutron stars or a neutron star and a black hole) or due to the core collapse of a massive star (> 15 solar mass). GRBs are excellent candidates to study physics at extreme energies and densities. They also constitute important astrophysical tools to probe the history of the universe as they are observed at all epochs. The upcoming (June 2022) Sino-French mission SVOM (Space-based multi-band astronomical Variable Objects Monitor) aims to detect and study GRBs using dedicated space and ground based instruments to obtain multi-wavelength coverage. The primary instrument onboard SVOM spacecraft is ECLAIRs, a wide-field (~ 2 sr) coded-mask imager sensitive in the 4 - 150 keV energy range. ECLAIRs will detect and localise GRBs (and other high energy transients) in near real time using an onboard trigger. ECLAIRs will encounter a high and variable background due to the wide field-of-view (FoV) and the pointing strategy of SVOM which makes the Earth transit through the FoV. A new method (called Particle Interaction Recycling Approach or PIRA), based on Monte-Carlo simulations (GEANT4), was developed to estimate the variable background accurately and rapidly. The simulations of the background are complemented with simulations of X-ray sources and gamma-ray bursts to generate complete observation scenarios. The variable background of ECLAIRs poses challenges to detect GRBs and affects the sensitivity of the instrument. We use the simulated data to evaluate the performance of the onboard trigger, in particular, the impact of the variable background and its sensitivity to the GRB characteristics (duration, temporal profile, spectral shape,position in the FoV). ECLAIRs will send all detected photons to the ground. In addition, the availability of a larger computational power and the better knowledge of the context (e.g. background variations, sources in the FoV, etc.) on the ground motivates us to develop an "offline trigger" to overcome the challenges faced by the onboard trigger. An algorithm based on wavelet transforms is proposed to detect GRBs as part of the offline trigger. The work in this thesis, i.e. the development of PIRA, instrument's performance evaluation and development of a trigger method, provides a sound basis to build an effective offline trigger that will complement the onboard trigger and improve the overall performance of the SVOM mission

Les explosions gamma (GRB) sont des évènements extrêmement violents. Ils sont sommairement classifiés en deux groupes par leur durée : les courts et les longs. Cette classification a permis de déterminer l'origine des GRBs : une collision entre deux objets compacts pour les courts ou l'explosion d'une étoile très massive pour les longs. Une meilleure classification des GRBs longs pourrait mieux contraindre leurs propriétés. Dans ma thèse, je présente des évidences de l'existence d'une sous-classification des GRBs basés sur la faible luminosité de leurs derniers reflets. Ces explosions sont appelées Low-Luminosity Afterflow (LLA). Je présente la technique de réduction des données, la méthode de sélection de ces GRBs ainsi que leurs principales propriétés. Leur lien avec les supernovæ (SN) est mis en évidence car 64 % de tous les GRBs associés à des Sns sont des LLA GRBs. Finalement, je présente d'autres propriétés comme leur fréquence, qui semble indiquer une nouvelle distincte classe, les propriétés de leurs galaxies hôte qui montrent que ces explosions ont pour origines des galaxies formant beaucoup d'étoiles. De plus, je montre qu'il est difficile de réconcilier les différences entre les GRBs normaux et les LLA GRBs en ne considérant que des effets instrumentaux et environnementaux, ou bien une géométrie différente. Donc je conclue que les deux classes de GRBs ont des propriétés différentes. En basant l'argumentation sur la fonction de masse initiale, sur la fréquence des LLA GRBs et sur le type de SNs qui les accompagnent, j'indique qu'un système binaire est favorisé pour leur origine
Gamma-ray bursts (GRB) are extreme events. They are crudely classified into two groups based on their duration, namely the short and long bursts. Such a classification has proven to be useful to determine their progenitors: the merger of two compact objects for short bursts and the explosion of a massive star for long bursts. Further classifying the long GRBs might give tighter constraints on their progenitor and on the emission mechanism(s). In my thesis, I present evidence for the existence of a sub-class of long GRBs, based on their faint afterglow emission. These bursts were named low-luminosity afterglow (LLA) GRBs. I discuss the data analysis and the selection method, and their main properties are described. Their link to supernova is strong as 64\% of all the bursts firmly associated to SNe is LLA GRBs. Finally, I present additional properties of LLA GRBs: the study of their rate density, which seems to indicate a new distinct third class of events, the properties of their host galaxies, which show that they take place in young star-forming galaxies. Additionally, I show that it is difficult to reconcile all differences between normal long GRBs and LLA GRBs only by considering instrumental or environmental effects, different ejecta content or a different geometry for the burst. Thus, I conclude that LLA GRBs and normal long GRBs should have different properties. In a very rudimentary discussion, I indicate that a binary system is favored in the case of LLA GRB. The argument is based on the initial mass function of massive stars, on the larger rate density of LLA GRBs compared to the rate of normal long GRBs and on the type of accompanying SNe

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

J'ai effectué une étude des éléments C, N, et O dans les atmosphères d'étoiles chimiquement particulières de la séquence principale, où ils sont sous-abondants et répartis de manière inhomogène. J'ai recensé les processus physiques qu'il faut inclure dans les calculs d'accélération radiative et montré leur importance relative. Des améliorations majeures par rapport aux approximations usuelles ont été obtenues grâce à l'utilisation systématique des données atomiques du projet OPACITY. Elles permettent de calculer précisément la dépendance en fréquence des opacités, et d'améliorer l'évaluation des largeurs de raies. Les contributions des raies et de la photoionisation sont calculées pour chaque ion et l'accélération totale sur un élément donné est obtenue grâce à un modèle prenant en compte les réactions rapides entre ions. Les accélérations radiatives calculées pour le carbone, l'azote, et l'oxygène, les poussant vers le haut, apparaissent inférieures à la gravité dans tous les modèles d'enveloppe considérés (étoiles de type A à F), pour une large gamme de paramètres, expliquant leurs déficits marquées à la surface de la plupart des étoiles chimiquement particulières. Des tables donnant d'une part l'opacité de ces éléments, d'autre part leur accélération radiative sur une grille contenant de nombreuses conditions de plasma permettent d'effectuer des calculs d'évolution stellaire prenant en compte tous les aspects de la diffusion des éléments C, N, et O, les plus abondants après H et He.

Je me suis ensuite intéressé aux étoiles de type lambda Bootis, un petit sous-groupe singulier d'étoiles chimiquement particulières, dont les anomalies d'abondance ne sont pas expliquées par le modèle de la diffusion radiative. Il s'agirait plutôt d'étoiles jeunes, encore entourées des restes du disque à partir duquel elles se sont formées, et dont elles accrèteraient un gaz appauvri en éléments lourds, ceux-ci s'étant condensés en grains. Afin de vérifier cette hypothèse, nous avons recherché la signature de matière circumstellaire dans le spectre de ces étoiles. Peu d'étoiles de notre échantillon montrent un tel indice et nos résultats suggèrent une anti-corrélation entre la présence de gaz ou de poussières, pouvant caractériser deux états différents dans l'évolution du disque protostellaire. Au cours de cette étude, nous avons découvert par hasard le premier cas de pulsations non radiales dans une étoile de type lambda Bootis, puis montré qu'elles sont communes dans ce groupe. L'identification des modes de pulsation permet de remonter à la structure interne de ces étoiles et à leur état d'évolution, permettant ainsi de tester le modèle d'accrétion.

Mon étude des environnements circumstellaires des étoiles lambda Bootis m'a conduit à m'intéresser aux disques protoplanétaires. Jusqu'à récemment, nous n'avions observé qu'un seul système solaire (le nôtre) dans lequel nous pouvions tester notre compréhension du processus de formation de planètes. Maintenant, plus d'une centaine de planètes ont été découvertes autour d'autres étoiles et les contraintes sur les modèles théoriques sont devenues très serrées. Nous savons que, dans la nébuleuse solaire, les particules de poussière de la taille du micron se sont agglomérées pour former des planètes, objets 10^13 à 10^14 fois plus grands. Bien qu'il y ait beaucoup de travail réalisé sur les dernières étapes de cette formation, et sur la migration de planètes déjà formées, peu de travail a été fait pour développer des modèles hydrodynamiques décrivant l'interaction du gaz et de la poussière dans les disques proto-planétaires. Nous développons un code hydrodynamique SPH permettant de modéliser cette interaction, principalement par la force de friction, entre deux phases: du gaz et des grains de poussière d'une taille donnée. Nous obtenons ainsi la répartition spatiale des grains dans le disque en fonction de leur taille. Ce travail correspond à la thèse de Laure Barrière-Fouchet, qui se termine en 2005. Nous projetons ensuite d'ajouter les mécanismes de coagulation, croissance, et évaporation des grains de poussière en modélisant plusieurs phases pour différentes tailles de grains et la variation du nombre de particules dans chaque phase qui en résulte. Ceci permettra de caractériser les zones du disque les plus favorables à la formation de planétésimaux. Ensuite, il s'agira d'explorer plus profondément les mécanismes de formation de planètes. En effet, si l'on arrive assez bien à faire croître les grains microscopiques jusqu'à une taille de l'ordre du centimètre, les collisions entre ces gros grains les refragmentent et empêchent de dépasser cette taille. Plusieurs solutions sont à envisager pour permettre de passer ce cap: diminution des vitesses de collisions dans les régions plus denses, rôle de la turbulence, etc...

Un peu à part de mes travaux précédents, avec mes collègues de l'ESO, j'ai observé et pris le premier spectre de la contrepartie optique du sursaut gamma GRB980425, qui s'est avéré être une supernova très particulière: SN1998bw. Son spectre en évolution rapide ne permettait pas de classer cette supernova, la première à être associée à un sursaut gamma, dans les types connus. Notre équipe a suivi régulièrement l'évolution de sa courbe de lumière et de son spectre, la somme de données recueillie ayant conduit à un modèle d'hypernova.

Utrahochenergetische kosmische Strahlung (ultra-high-energy cosmic rays -- UHECR) besteht aus ionisierten Atomkernen mit den höchsten Teilchenergien, die je gemessen wurden. Zwar wurden die Quellen von UHECRs noch nicht eindeutig identifiziert, doch gibt es deutliche Anzeichen, dass sie extragalaktisch sind. Um die Beobachtungen zu interpretieren, wird ein Modell der Wechselwirkungen mit Photofeldern sowohl in der Quelle als auch während der extragalaktischen Propagation benötigt. Bei diesen Wechselwirkungen werden sekundäre Neutrinos erzeugt. Diese Dissertation behandelt Modelle der Quellen von UHECRs und die damit verbundene Produktion von Neutrinos sowohl in den Quellen als auch während der Propagation. Dafür wurde ein neuer Code, PriNCe, für die Propagation von UHECRs entwickelt. Dieser Code wird in einem umfangreichen Parameterscan für ein generisches Quellenmodell angewendet, welches mit dem Spektralindex, der maximalen Rigidität, der kosmologischen Quellenverteilung und der chemischen Komposition als freie Parameter definiert ist. Dabei wird der Einfluss von verschiedenen Photodisintegrations- und Luftschauermodellen auf die erwarteten Eigenschaften der Quellen demonstriert. Der Fluss kosmogenischer Neutrinos, der sich daraus robust vorhersagen lässt, liegt außerhalb der Reichweite aller derzeit geplanten Neutrinodetektoren. GRBs als mögliche Quellen von UHECRs werden im Multi-Collision Internal-Shock Modell simuliert, welches die Abhängigkeit der Strahlungsprozesse von den verschiedenen Dissipationsradien im Plasmajet berücksichtigt. Für dieses Modell wird der Effekt demonstriert, den verschiedene Annahmen über die anfängliche Verteilung des Plasmajets und das hydrodynamische Modell auf die resultierende UHECR- und Neutrinosstrahlung haben. Für den Gammastrahlenblitz GRB170817A, welcher zusammen mit einem Gravitationswellensignal beobachtet wurde, werden Vorhersagen für den Neutrinofluss und ihre Abhängigkeit vom Beobachtungswinkel gemacht.
Ultra-high-energy cosmic rays (UHECRs) are the most energetic particles observed in the Universe. While the astrophysical sources of UHECRs have not yet been uniquely identified, there are strong indications for an extragalactic origin. The interpretation of the observations requires both simulations of UHECR acceleration and energy losses inside the source environment as well as interactions during extragalactic propagation. Due to their extreme energies, UHECR will interact with photons in these environments, producing a flux of secondary neutrinos. This dissertation deals with models of UHECR sources and the accompanying neutrino production in the source environment and during extragalactic propagation. We have developed a new, computationally efficient code, PriNCe, for the extragalactic propagation of UHECR nuclei. The PriNCe code is applied for an extensive parameter scan of a generic source model that is described by the spectral index, the maximal rigidity, the cosmological source evolution and the injected mass composition. In this scan, we demonstrate the impact of different disintegration and air-shower models on the inferred source properties. A prediction for the expected flux of cosmogenic neutrinos is also derived. GRBs are discussed as specific UHECR source candidates in the multi-collision internal-shock model. This model takes the radiation from different radii in the GRB outflow into account. We demonstrate how different assumptions about the initial setup of the jet and the hydrodynamic collision model impact the production of UHECRs and neutrinos. Motivated by the multi-messenger observation of GRB170817A, we discuss the expected neutrino production from this GRB and its dependence on the observation angle. We show that the neutrino flux for this event is at least four orders of magnitude below the detection limit for different geometries of the plasma jet.

Der Ursprung ultra-hochenergetischer kosmischer Strahlung (UHECRs) ist eine der wichtigsten offenen Fragen der Astrophysik. Gammastrahlenblitze (GRBs) galten als potentielle Quellen, da sie zu den energetischsten Ereignissen im Universum zählen. Konventionelle Szenarien sind jedoch durch Neutrinodaten stark eingeschränkt. Außerdem weisen Messungen der chemischen Zusammensetzung kosmischer Strahlen auf schwere Kerne hin, welche in zu dichten Strahlungsfeldern disintegrieren würden. Um dieses Dilemma zu umgehen deuten neue Studien auf versteckte Beschleuniger hin, welche schwer zu detektieren sind. In dieser Dissertation präsentieren wir neue Ansätze um nukleare Prozesse in astrophysikalischen Quellen effizient und selbstkonsistent zu berechnen. Wir quantifizieren diese Wechselwirkungen anhand der nuklearen Kaskade, welche die Disintegration schwerer Kerne in leichtere Fragmente beschreibt. Auch in umfassenden Modellen, wie sie in dieser Arbeit entwickelt werden, sind GRBs durch Neutrinodaten unter Druck. Dennoch zeigen wir, dass eine Population von GRBs niedriger Luminosität konsistent mit derzeitigen Messungen ist und zugleich auch das Spektrum und die Zusammensetzung kosmischer Strahlung über den Knöchel hinweg sowie Neutrinodaten beschreiben kann. Aus unserer Prozedur können wir zusätzlich weitere Quelleneigenschaften wie die baryonische Ladung oder die Ereignisrate bestimmen. Wir zeigen weiter, dass auch von schwarzen Löchern zerrissene Sterne mögliche Kandidaten eines gemeinsamen Ursprungs der gemessenen kosmischen Strahlung und PeV-Neutrinos sind. Sie können jedoch durch kosmogenische Neutrinos von LLGRBs abgegrenzt werden. Schließlich wenden wir unser Modell auf das Gravitationswellenereignis GW170817 an. Wir zeigen für verschiedene Jet-Szenarien, dass der erwartete Neutrinofluss weit unter der Sensitivität derzeitiger Instrumente liegt. Dennoch könnten verschmelzende Neutronensterne die kosmische Strahlung unterhalb des Knöchels erklären.
The origin of Ultra-High Energy Cosmic Rays (UHECRs) is still one of the most important open questions in astrophysics. Gamma-Ray Bursts (GRBs) were considered as potential sources as they are among the most energetic events known in the Universe. However, conventional GRB scenarios are strongly constrained by astrophysical neutrino data. In addition, cosmic ray composition measurements indicate the presence of heavy nuclei, which would disintegrate if the radiation fields in the source were too dense. In order to circumvent this dilemma, recent studies point towards hidden accelerators, which are intrinsically hard to detect. In this dissertation, we present novel approaches to efficiently and self-consistently calculate the nuclear processes in astrophysical sources. We quantify these interactions by means of the nuclear cascade, which describes the subsequent disintegration of heavy nuclei into lighter fragments. Even in sophisticated source-propagation models, as the ones developed in this thesis, conventional GRBs are in tension with neutrino data. However, we demonstrate that a population of low-luminosity GRBs is not only consistent with current constraints, but can even describe the UHECR spectrum and composition across the ankle as well as neutrino data simultaneously. From our fitting procedure we can further constrain certain source properties, such as the baryonic loading and the event rate. Furthermore, we show that stars disrupted by black holes are viable candidates for a simultaneous description of cosmic ray and PeV neutrino data too. However, they can be discriminated from LLGRBs by cosmogenic neutrinos. Finally, we apply our model to GW170817. We show for different jet scenarios that the expected neutrino flux is orders of magnitude below the sensitivity of current instruments. Nevertheless, binary neutron star mergers could in principle support cosmic rays below the ankle.

It is natural to consider the possibility that the most energetic particles detected (> 10^18 eV), ultra-high-energy cosmic rays (UHECRs), are originated at the most luminous transient events observed (> 10^52 erg s^-1), gamma-ray bursts (GRBs). As a result of the interaction of highly-accelerated, magnetically-confined protons and ions with the photon field inside the burst, both neutrons and UHE neutrinos are expected to be created: the former escape the source and beta-decay into protons which propagate to Earth, where they are detected as UHECRs, while the latter, if detected, would constitute the smoking gun of hadronic acceleration in the sources. Recently, km-scale neutrino telescopes such as IceCube have finally reached the sensitivities required to probe the neutrino predictions of some of the existing GRB models. On that account, we present here a revised, self-consistent model of joint UHE proton and neutrino production at GRBs that includes a state-of-the-art, improved numerical calculation of the neutrino flux (NeuCosmA); that uses a generalised UHECR emission model where some of the protons in the sources are able to "leak out" of their magnetic confinement before having interacted; and that takes into account the energy losses of the protons during their propagation to Earth. We use our predictions to take a close look at the cosmic ray-neutrino connection and find that the current UHECR observations by giant air shower detectors, together with the upper bounds on the flux of neutrinos from GRBs, are already sufficient to put tension on several possibilities of particle emission and propagation, and to point us towards some requirements that should be fulfilled by GRBs if they are to be the sources of the UHECRs. We further refine our analysis by studying a dynamical burst model, where we find that the different particle species originate at distinct stages of the expanding GRB, each under particular conditions. Finally, we consider a possibility of new physics: the effect of neutrino decay in the flux of UHE neutrinos from GRBs. On the whole, our results demonstrate that self-consistent models of particle production are now integral to the advancement of the field, given that the full picture of the UHE Universe will only emerge as a result of looking at the multi-messenger sky, i.e., at gamma-rays, cosmic rays, and neutrinos simultaneously
Es ist eine natürliche Annahme, dass die energiereichsten beobachteten Teilchen (> 1018 eV), die ultra-hochenergetische Kosmische Strahlung (UHECRs), möglicherweise in Verbindung mit den leuchtkräftigsten zeitlich beschränkten Ereignissen (> 1052 erg s−1), sogenannten Gammablitzen (GRBs), stehen. Als Folge der Wechselwirkungen zwischen den extrem beschleunigten, in Magnetfeldern gefangenen Protonen und Ionen und den Photonfeldern im Inneren der Gammablitze wer- den sowohl Neutronen als auch UHE Neutrinos erwartet. Erstere köonnen die Quelle verlassen und zerfallen zu Protonen via β-Zerfall, welche zur Erde propagieren und dort als UHECR detektiert werden köonnen, während Letztere, wenn detektiert, den eindeutigen Beweis für die Beschleunigung von Hadronen in besagten Quellen erbringen würden. Vor Kurzem haben km3-große Neutrinoteleskope, wie IceCube, endlich die benötigte Sensitivität erreicht, um die Neutrinovorhersagen für einige existierende GRB-Modelle zu testen. In diesem Zusammenhang präsentieren wir hier ein überarbeitetes, selbstkonsistentes Modell der gemein- samen Produktion von UHE Protonen und Neutrinos in GRBs. Dieses enthält eine hochmoderne, verbesserte numerische Kalkulation des Neutrinoflusses (NeuCosmA), ein verallgemeinertes Emissionsmodell für UHECR, welches darauf beruht, dass einige Protonen direkt aus den Magnetfeldern innerhalb der Quelle entkommen können ohne wechselzuwirken, und bezieht die Energieverluste der Protonen auf ihrem Weg zur Erde mit ein. Wir nutzen unsere Voraussagen, um einen genaueren Blick auf die Verbindung zwischen Kosmischer Strahlung und Neutrinos zu werfen, und stellen fest, dass aktuelle UHECR Beobachtungen mittels gigantischen Luftschauerdetektoren zusammen mit den oberen Schranken auf den Neutrinofluss von GRBs bereits ausreichen, um Widersprüche zu einigen Emissions- und Propagationsmodellen aufzuzeigen, und deuten uns in die Richtung einiger Voraussetzungen, die von GRBs erfüllt sein müssen, sollten diese die Quellen der UHECRs sein. Des Weiteren verfeinern wir unsere Analyse, indem wir ein dynamisches Explosionsmodell studieren, mittels welcher wir herausfinden, dass unterschiedliche Teilchen von bestimmten Phasen des expandieren GRBs stammen, welche durch unterschiedliche Bedingungen charakterisiert sind. Zum Schluss betrachten wir die Möglichkeit von ”neuer Physik”, den Zerfall von UHE Neutrinos im Neutrinofluss von GRBs. Im Großen und Ganzen zeigen unsere Ergebnisse, dass selbstkonsistente Modelle mittlerweile ein integraler Bestandteil für den Fortschritt dieses Feldes geworden sind, wenn man berücksichtigt, dass der Gesamtzusammenhang des UHE Universums erst sichtbar wird, wenn man den Himmel in unterschiedlichen Kanälen betrachtet, genauer gesagt gleichzeitig in Gammastrahlung, in Kosmischer Strahlung und in Neutrinos

Gamma-ray bursts (GRBs) are the mysterious, short and intense flashes of gamma-rays in the space, and are believed to originate from the rare, explosively devastating, stellar events that happens at cosmological distances. Enormous progress has been made from four decades of GRB research endeavor but the ultimate understanding of their origins has yet to arrive. Recently revealed features in their early afterglows broadened the opportunity space for exploration. We have carried out extensive studies on various physical processes in GRBs. We showed that the distribution of electrons' energy spectral index in GRBs and other relativistic sources is inconsistent with the prediction from the first-order Fermi theory of the shock particle acceleration. We investigated the photon scattering processes within the relativistic outflow that produces the GRB and calculated the resultant emission flux from it. We showed the scattering of the GRB prompt photons by the circum-burst dust, although an attractive possibility, can not explain the puzzling plateau component in the GRB afterglow light curve. We made meaningful constraint on the GRB prompt emission radius, R [greater-than or equal to] 10¹⁴, by studying the synchrotron self absorption for a small sample of bursts with good data. We showed that a late jet, which is thought to be producing the late X-ray flares in GRB afterglows, will produce detectable emissions from its interactions with other components in the explosive event of GRB, and identification of these emissions could verify the existence of the late jet and further prove the massive star origin of long-duration GRBs.
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Astrophysical flows have an enormous dynamic range of relevant length scales. The physics occurring on the smallest scales often influences the physics of the largest scales, and vice versa. I present a detailed study of the multiscale and multidimensional behavior of three high-energy astrophysical flows: jet-driven supernovae, massive black hole accretion, and current-driven instabilities in gamma-ray burst external shocks. Both theory and observations of core-collapse supernovae indicate these events are not spherically-symmetric; however, the observations are often modeled assuming a spherically-symmetric explosion. I present an in-depth exploration of the effects of aspherical explosions on the observational characteristics of supernovae. This is accomplished in large part by high-resolution, multidimensional numerical simulations of jet-driven supernovae. The existence of supermassive black holes in the centers of most large galaxies is a well-established fact in observational astronomy. How such black holes came to be so massive, however, is not well established. In this work, I discuss the implications of radiative feedback and multidimensional behavior on black hole accretion. I show that the accretion rate is drastically reduced relative to the Eddington rate, making it unlikely that stellar mass black holes could grow to supermassive black holes in less than a Hubble time. Finally, I discuss a mechanism by which magnetic field strength could be enhanced behind a gamma-ray burst external shock. This mechanism relies on a current-driven instability that would cause reorganization of the pre-shock plasma into clumps. Once shocked, these clumps generate vorticity in the post-shock plasma and ultimately enhance the magnetic energy via a relativistic dynamo process.
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