Etudes multi-longueurs d'onde de l'émission prompte des GRBs avec SVOM et H.E.S.S./CTAO, caractérisation des précurseurs et utilisation pour le suivi rapide au TeV // Multi-wavelength studies of GRB prompt emission with SVOM and H.E.S.S/CTAO, characteriza

Les sursauts gamma (GRBs, Gamma-Ray Bursts) sont les phénomènes astrophysiques les plus lumineux et résultent de l'effondrement d'une étoile très massive sur elle-même ou de la coalescence de deux objets compacts (dont une étoile à neutron). Le trou noir de masse stellaire nouvellement formé s'accompagne d'un jet de matière ultra-relativiste dont l'émission dite prompte, très intense et fortement variable, est suivie d'une émission rémanente provenant de son interaction avec le milieu interstellaire. Alors que l'émission rémanente a été récemment détectée au TeV pour quelques GRBs, l'émission prompte n'a encore jamais été révélée à ces énergies. Une couverture spectrale complète apporterait de nouvelles contraintes sur les mécanismes d'accélération des particules dans le jet et les processus d'émission associés, qui sont encore très mal compris à ce jour. La principale difficulté pour l'observation de l'émission prompte au TeV est le temps de re-pointé des télescopes à imagerie Cherenkov (comme H.E.S.S. et CTAO) après la réception d'une alerte (souvent par un observatoire spatial en rayons X/gamma comme SVOM), qui est généralement plus long que la durée de la phase prompte des GRBs. Outre l'étude des rares GRBs dont la phase prompte dure assez longtemps (> 30-60 s) pour être observée par H.E.S.S. et CTAO, une solution serait de tirer profit des précurseurs de GRBs (observés dans 10-15% des cas), une faible émission précédant l'émission prompte principale et qui pourrait être utilisée en tant que pré-alerte.

Les précurseurs de GRBs ont été étudiés avec les observatoires Swift et Fermi au-delà de 10 keV, et leur origine est très incomprise. Le premier objectif de la thèse sera de rechercher la présence de précurseurs de GRBs dans les données archivées de SVOM, de les caractériser (temporellement et spectralement) notamment en deçà de 10 keV et d'étudier leur lien avec l'émission prompte principale, afin de mieux comprendre leur origine. Parmi ces GRBs avec précurseur seront sélectionnés ceux pour lesquels la période de quiescence (temps séparant le précurseur de l'émission principale) est assez longue pour permettre des observations par les télescopes Cherenkov avant la fin de la phase prompte (à rechercher dans les données archivées de H.E.S.S. et CTAO). Les rares GRBs très longs et dont l'émission prompte a également été observée par H.E.S.S. et CTAO seront ajoutés à l'échantillon. La majeure partie de la thèse portera ainsi sur l'analyse multi-longueurs d'onde des rayons X jusqu'au TeV (SVOM, Fermi, H.E.S.S./CTAO) de ces GRBs afin d'identifier (ou de poser des contraintes sur) les composantes spectrales non-thermiques (synchrotron et Compton inverse) de l'émission prompte et d'inférer les propriétés physiques du jet. En fonction des besoins, l'étudiant.e pourra également participer au développement de l'outil officiel d'analyse des données CTAO (gammapy) pour les événements transitoires. Enfin, la dernière partie de la thèse portera sur une étude de faisabilité (gain versus risque de fausses alarmes, etc.) pour l'utilisation des précurseurs sous le seuil de détection à bord de l'instrument ECLAIRs de SVOM afin de déclencher plus rapidement les observations H.E.S.S. et CTAO. Ceci pourrait conduire à de nouvelles stratégies de suivi des GRBs au TeV afin d'augmenter les chances de détecter l'émission prompte avec H.E.S.S. et CTAO.

Pour résumer, la thèse s'articulera autour de plusieurs points : recherche et caractérisation des précurseurs de GRBs dans les données SVOM, analyses multi-longueurs d'onde (SVOM/Fermi/H.E.S.S./CTAO) de l'émission prompte de GRBs, et première étude de faisabilité de l'utilisation des excès sous le seuil de détection de SVOM pour le suivi au TeV. L'étudiant.e intégrera les collaborations internationales SVOM, H.E.S.S. et CTAO et effectuera au cours de la thèse plusieurs shifts « Instrument Scientist » de SVOM et Burst Advocate de H.E.S.S./CTAO.
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Gamma-ray bursts (GRBs) are the most luminous astrophysical phenomena and result from the collapse of massive stars or the coalescence of two compact objects (including at least one neutron star). A stellar mass black hole is created together with an ultra-relativistic jet of matter whose emission called prompt emission, highly luminous and variable, is followed by an afterglow emission resulting from the jet interaction with the interstellar medium. While afterglow emissions were recently detected at TeV energies for some GRBs, the prompt emission has never been revealed at these energies. A full spectral coverage would bring new constraints on the particle acceleration mechanisms within the jet and on the associated radiation processes, which are still not well understood. The major difficulty for observing the prompt emission at TeV energies comes from the slewing time of Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (such as H.E.S.S. and CTAO) after the reception of the alert (often from X-ray/gamma-ray spatial observatories such as SVOM), which is usually longer than the duration of the GRB prompt phase. Besides the rare cases where the prompt phase is long enough (> 30-60 s) to be observed by H.E.S.S. and CTAO, one solution would be to take benefit from GRB precursors (observed for 10-15% of GRBs), a faint emission that occurs before the main prompt emission and could be used as a pre-alert.

GRB precursors have been studied by different observatories such as Swift and Fermi above 10 keV, and their origin is still uncertain. The first objective of the thesis is to search for GRB precursors within SVOM archival data, to characterize them (temporally and spectrally), in particular below 10 keV, and to study their link with the main prompt emission in order to better understand their origin. Among the GRBs showing precursor episodes, the ones with a long enough quiescent period (time between the precursor and the main episode) that allowed observations with Cherenkov telescopes before the end of the prompt phase will be selected. The rare long GRBs for which the prompt emission could be observed by H.E.S.S. and CTAO will be also added to the sample. The main part of the thesis concerns the multi-wavelength analysis from X-ray to TeV energies (SVOM/Fermi/H.E.S.S./CTAO) of these selected GRBs in order to identify (or put constraints on) the non-thermal spectral components (synchrotron and Inverse Compton) of the prompt emission and to infer the jet physical properties. If needed, the student could also be involved in the development of the official tool for CTAO data analysis (gammapy) for transient event studies. Finally, the last part of the thesis concerns a feasibility study (gain versus false alarm rates, etc.) for using precursors below the onboard detection threshold of the SVOM/ECLAIRs telescope to trigger H.E.S.S. and CTAO observations more rapidly. This could result in new follow-up observation strategies at TeV energies and would increase the chance probability of GRB prompt emission detection with H.E.S.S. and CTAO.

To summarize, the thesis contains three main axes: the search and characterization of GRB precursors within SVOM data, the multi-wavelength analyses (with SVOM/Fermi/H.E.S.S./CTAO) of GRB prompt emission, and the first feasibility study of SVOM sub-threshold excesses for rapid follow-up observations at TeV energies. The student will be part of the international collaborations SVOM, H.E.S.S. and CTAO and will contribute to several shifts as an « Instrument Scientist » within SVOM and as a « Burst Advocate » within H.E.S.S./CTAO.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Contrat doctoral

Concours pour un contrat doctoral

Université de Montpellier

166 I2S - Information, Structures, Systèmes

Master en Astrophysique ou en Astroparticules Bonne connaissance du language de programmation Python
Master in Astrophysics or Astroparticle Physics Good knowledge of the Python programming language