Date : 2023
Type : Livre / Book
Type : Thèse / ThesisLangue / Language : anglais / English
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Résumé / Abstract : Cinquante cinq ans après la découverte des sursauts gamma (GRBs), les mécanismes physiques à l'origine de l'émission prompte (0.1-100 s) de leur jet ultra-relativiste font encore l'objet de débats. La thèse porte sur cette courte phase d'émission, très variable et très énergétique, en particulier à haute énergie (du keV au MeV). Schématiquement, on peut distinguer l'émission non thermique d'électrons accélérés par les ondes de choc dans le jet ou par reconnexion magnétique, de l'émission quasi-thermique proche de la photosphère. Mon travail est basé sur l'utilisation d'une version du modèle de chocs internes, et sur la paramétrisation des spectres synchrotron que le code numérique prédit aux keV-MeV. Ce modèle spectral ("Internal Shock Synchrotron Model", ISSM) présente une courbure continue résultant de la superposition des spectres synchrotron instantanés qui évoluent rapidement aux chocs. Dans la première partie de la thèse, j'ai confronté ce modèle aux spectres d'émission prompte des GRBs détectés par l'instrument GBM de la mission spatiale Fermi, et j'ai comparé ses performances à celles de modèles phénoménologiques tels que la fonction ad-hoc de Band. Ces derniers modèles mathématiques sont couramment utilisés dans la communauté pour ajuster sommairement les spectres de GRBs aux keV-MeV. J'ai utilisé 460 GRBs détectés par le GBM, que j'ai sélectionnés pour leur grande fluence afin d'atteindre la précision spectrale requise pour distinguer les modèles entre eux. J'ai développé une chaîne complète d'analyse (préparation des données, sélection des détecteurs du GBM sur des critères quantitatifs précis, segmentation des courbes de lumière, ajustements spectraux, scripts de post-traitement). J'ai montré que le modèle physique ISSM surclasse tous les modèles phénoménologiques, qu'il reproduit mieux les spectres observés sur de courtes échelles de temps, et encore mieux lorsque ces spectres sont moyennés. Ces résultats renforcent avec un haut niveau de confiance l'hypothèse d'une origine synchrotron aux chocs internes de l'émission prompte non thermique des GRBs. Dans une deuxième partie, j'ai étudié les quelques rares GRBs présentant une composante spectrale quasi-thermique additionnelle à basse énergie. Cette émission photosphérique est attendue dans le scénario dit de la "boule de feu", dans lequel le plasma des éjecta entre en expansion sous l'effet de sa propre pression pour atteindre une vitesse ultra-relativiste. J'ai démontré que la détection de cette composante spectrale est fortement conditionnée à la modélisation de la composante non thermique synchrotron. En particulier, l'utilisation d'un modèle réaliste comme ISSM laisse peu de place à une composante additionnelle. Ces résultats semblent ainsi indiquer un réservoir initial d'énergie constitué en partie d'un flux de Poynting et non pas uniquement de l'énergie thermique de la boule de feu en expansion adiabatique. La dernière partie de la thèse concerne l'étude du sursaut gamma exceptionnel GRB 220101A avec les instruments GBM et LAT de Fermi. Ce sursaut très énergétique est le plus lointain jamais détecté par le LAT (z=4.618). Il s'ajoute aux quatre rares GRBs qui présentent une cassure spectrale à haute énergie associée à une émission variable. A l'aide d'un calcul réaliste d'opacité gamma-gamma, cette atténuation spectrale m'a permis de mesurer la vitesse du jet ultra-relativiste (facteur de Lorentz ~ 110) et d'y localiser les régions d'émission gamma, à une distance au trou noir central (quelques 10^(14) cm) similaire à celle où les chocs internes se produisent typiquement.
Résumé / Abstract : Fifty five years after the discovery of gamma-ray bursts (GRBs), the physical mechanisms responsible for the prompt emission (0.1-100 s) of their ultra-relativistic jet are still debated. This thesis deals with this short emission phase, very variable and very energetic, in particular at high energy (from keV to MeV). Schematically, one can distinguish the non-thermal emission of electrons accelerated by shocks in the jet or by magnetic reconnection, from the quasi-thermal emission near the photosphere. My work is based on a version of the internal-shock model, and on the parameterization of the synchrotron spectra that the numerical code predicts at keV-MeV energies. This spectral model (Internal Shock Synchrotron Model, ISSM) presents a continuous curvature resulting from the superposition of instantaneous synchrotron spectra which evolve rapidly in the shocked regions. In the first part of the thesis, I confronted this model to the prompt emission spectra of GRBs detected by the GBM instrument of the Fermi space mission, and I compared its performance to phenomenological models such as the ad-hoc Band function. The latter mathematical models are commonly used in the community to summarily fit GRB keV-MeV spectra. I used 460 GRBs detected by the GBM, which I selected for their high fluence in order to reach the spectral accuracy that is required to distinguish between models. I developed a complete analysis chain (data preparation, selection of GBM detectors on precise quantitative criteria, light curve segmentation, spectral fits, post-processing scripts). I showed that the ISSM physical model outperforms all phenomenological models, that it reproduces better the observed spectra on short timescales, and even better when these spectra are averaged. These results reinforce with a high level of confidence the hypothesis of an internal-shock synchrotron origin of the non-thermal prompt emission of GRBs. In a second part, I studied the few rare GRBs showing an additional quasi-thermal spectral component at low energy. This photospheric emission is expected in the so-called "fireball" scenario, in which the plasma of the ejecta expands under its own pressure and reach an ultra-relativistic speed. I showed that the detection of this spectral component depends strongly on the modeling of the non-thermal synchrotron component. In particular, the use of a realistic model like ISSM leaves little room for an additional component. These results thus seem to indicate an initial energy reservoir consisting partly of a Poynting flux and not only of the thermal energy of the adiabatically expanding fireball. The last part of the thesis concerns the study of the exceptional gamma-ray burst GRB 220101A with the GBM and LAT instruments of Fermi. This very energetic burst is the most distant ever detected by the LAT (z=4.618). It lies among the five rare GRBs which present a spectral break at high energy associated with a variable emission. Using a realistic gamma-gamma opacity calculation, this spectral attenuation allowed to measure the velocity of the ultra-relativistic jet (Lorentz factor ~ 110) and to locate the gamma emission regions, at a distance from the central black hole (a few 10^(14) cm) where internal shocks typically take place.