ÉTUDE DE LA VARIABILITE MULTI-ECHELLES DU CIEL GAMMA A TRES HAUTE ENERGIE // STUDY OF THE MULTI-SCALE VARIABILITY OF THE VERY HIGH ENERGY GAMMA-RAY SKY

L'astronomie gamma de très haute énergie observe le ciel au-dessus de quelques dizaines de GeV. Ce domaine émergent de l’astronomie est en plein essor depuis le début des années 1990, en particulier, depuis la mise en service en 2004 du réseau de télescopes H.E.S.S. en Namibie. L'IRFU/CEA-Paris Saclay est un membre particulièrement actif de cette collaboration depuis ses débuts. Il est également impliqué dans la préparation du futur observatoire CTAO (Cherenkov Telescope Array Observatory) qui est actuellement en phase d’installation. La détection des photons gamma d'énergie supérieure à quelques dizaines de GeV permet d'étudier les processus d’accélération des particules chargées au sein d’objets aussi variés que les vestiges de supernova ou les noyaux actifs de galaxies. Par ce biais, H.E.S.S. vise notamment à répondre à la question centenaire de l'origine des rayons cosmiques.
H.E.S.S. permet de mesurer la direction, l'énergie et le temps d'arrivée de chaque photon détecté. La mesure du temps a permis de mettre en évidence des sources dont le flux présente des variations temporelles importantes ou encore périodiques. L'étude de ces émissions variables (transitoires ou périodiques), que ce soit en direction du Centre Galactique ou de noyaux actifs de galaxies (AGN) lointains permet de mieux comprendre les processus d'émissions à l'œuvre au sein de ces sources, de caractériser le milieu dans lequel les photons se propagent mais également de tester la validité de certaines lois physiques fondamentales comme l’invariance de Lorentz. La large gamme d'échelles temporelles qu'il est possible de sonder permet de rechercher et d'étudier des sursauts ou des variations dans le flux des sources allant de quelques secondes (sursaut gamma, trous noirs primordiaux) à quelques années (systèmes binaires de haute masse, noyaux actifs de galaxie).
L'un des succès majeurs des deux décennies de prise de données de H.E.S.S. a été de conduire à des relevés des ciels galactique et extragalactique aux très-hautes énergies. Ces relevés combinent des observations dédiées à certaines sources,
comme le Centre Galactique ou certains vestiges de supernovæ, mais aussi des observations à l’aveugle pour la découverte de nouvelles sources. Le sujet de thèse proposé ici porte sur un aspect de l’étude des sources qui reste à explorer : la recherche et l'étude de la variabilité des sources de très hautes énergies. Pour les sources variables, il est également intéressant de corréler la variabilité dans d’autres domaines de longueurs d’onde. Finalement le modèle de la source peut aider à prédire son comportement, par exemple ses « états hauts » ou ses sursauts.
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Very high energy gamma ray astronomy observes the sky above a few tens of GeV. This emerging field of astronomy has been in constant expansion since the early 1990s, in particular since the commissioning of the H.E.S.S. array in 2004 in Namibia. IRFU/CEA-Paris Saclay is a particularly active member of this collaboration from the start. It is also involved in the preparation of the future CTAO observatory (Cherenkov Telescope Array Observatory), which is now being installed. The detection of gamma rays above a few tens of GeV makes it possible to study the processes of charged particles acceleration within objects as diverse as supernova remnants or active galactic nuclei. Through this, H.E.S.S. aims in particular at answering the century-old question of the origin of cosmic rays.
H.E.S.S. allows measuring the direction, the energy and the arrival time of each detected photon. The time measurement makes it possible to highlight sources which present significant temporal or periodic flux variations. The study of these variable
Direction de la Recherche Fondamentale
Institut de recherche
sur les lois fondamentales de l’univers

emissions (transient or periodic), either towards the Galactic Center or active nuclei of galaxies (AGN) at cosmological distance allows for a better understanding of the emission processes at work in these sources. It also helps characterizing the medium in which the photons propagate and testing the validity of some fundamental physical laws such as Lorentz invariance. It is possible to probe a wide range of time scales variations in the flux of astrophysical sources. These time scales range from a few seconds (gamma ray bursts, primordial black holes) to a few years (binary systems of high mass, active galaxy nuclei).
One of the major successes of H.E.S.S.'s two decades of data-taking. was to conduct surveys of the galactic and extragalactic skies in the very-high energy range. These surveys combine observations dedicated to certain sources, such as the Galactic Center or certain remains of supernovae, as well as blind observations for the discovery of new sources. The thesis subject proposed here concerns an aspect of the study of sources which remains to be explored: the research and study of the variability of very-high energy sources. For variable sources, it is also interesting to correlate the variability in other wavelength ranges. Finally, the source model can help predict its behavior, for example its “high states” or its bursts.
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Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’univers
Service : Service de Physique des Particules
Laboratoire : Groupe Astroparticules (GAP)
Date de début souhaitée : 01-10-2025
Ecole doctorale : PHENIICS (PHENIICS)
Directeur de thèse : Glicenstein Jean-Francois
Organisme : CEA
Laboratoire : DRF/IRFU

Public/private mixed funding

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Département : Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’univers
Service : Service de Physique des Particules

M2 en astrophysique, physique des particules ou astro-particules