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La physique de l’infiniment grand l’infiniment petit

Jacques Muller soutient sa thèse

11 décembre 2021

le vendredi 17 décembre 2021 dans l’amphithéâtre Becquerel de l’École polytechnique à 10h00.


"Inter-Calibration Aéroportée des Télescopes H.E.S.S. et Emission Gamma Diffuse de Très Haute Energie du Grand Nuage de Magellan"


Résumé

Le Système Stéréoscopique à Haute Energie H.E.S.S. est l’un des trois grands réseaux de Télescopes à Imagerie Tcherenkov Atmosphérique (IACT) opérationnels et est situé en Namibie à une altitude de 1800 m. Ces réseaux sont conçus pour détecter indirectement des photons aux énergies les plus hautes couramment observables, appelés rayons gamma, créés par les phénomènes cosmiques les plus violents comme des supernovæ, des pulsars, des trous noirs accrétants et des sursauts gamma. Pour des particules avec de telles énergies, l’atmosphère constitue un calorimètre, ce qui signifie qu’une particule dépose son énergie dans l’atmosphère et qu’on peut la mesurer. Les rayons gamma entrant dans l’atmosphère créent donc des gerbes de particules constituées de milliards de particules secondaires. Celles qui sont chargées émettent du rayonnement Tcherenkov qui peut être enregistrée par les IACTs. H.E.S.S. est constitué de cinq télescopes, dont quatre avec un miroir segmenté de forme hexagonale de 12 m de diamètre et un avec une forme presque rectangulaire avec un diamètre de 28 m. Pour pouvoir mesurer précisément l’énergie des photons gamma, il est indispensable de calibrer les télescopes individuellement, mais aussi de les inter-calibrer.


La première partie de cette thèse propose une nouvelle méthode pour déterminer les efficacités optiques relatives des télescopes du réseau H.E.S.S. Celle-ci est basée sur un drone volant au-dessus du réseau et éclairant les télescopes avec une source de lumière pulsée. Cette méthode permet, contrairement à celle utilisée jusqu’alors, de mesurer la dépendance à la longueur d’onde des efficacités. Ce point sera important pour les réseaux futurs comme CTA constitués de plusieurs types de télescopes et qui devraient avoir une précision et sensitivité sans précédent. Cette thèse discute les résultats d’une première campagne d’inter-calibration et démontre que cette méthode permet d’inter-calibrer les télescopes de H.E.S.S. Additionnellement, elle montre qu’il est possible d’utiliser les mêmes données des observations avec un drone pour vérifier l’horodatage et les corrections de pointé de H.E.S.S., qui sont nécessaires car le pointé est imparfait à cause de la déformation du sol et de la structure du télescope sous son propre poids.


La seconde partie de cette thèse discute la détection d’émission gamma diffuse en provenance du Grand Nuage de Magellan. Il s’agit d’une galaxie naine qui, à l’instar de la Voie Lactée, contient non seulement des étoiles mais également des rayons cosmique (protons et électrons principalement) et de la matière inter-stellaire. Outre les sources astrophysiques, on attend également une émission diffuse produite par les interactions de ces particules avec le gaz interstellaire et les champs de rayonnement. Cette émission diffuse constitue d’ailleurs le signal principal détecté par des satellites gamma sensibles à la partie basse énergie du spectre gamma (énergies GeV). L’étude de cette émission diffuse est particulièrement intéressante, car elle permet de caractériser tous les processus reliés à sa production et nous ouvre ainsi une voie supplémentaire vers le spectre des rayons cosmiques, la distribution de gaz dans les galaxies et la population d’électrons accélérés proche de sources potentiellement non-découvertes, mais aussi parce qu’elle constitue un fond pour toutes les détections de sources. J’utilise une nouvelle méthode de soustraction de fond, initialement développé pour la détection d’émission diffuse dans la Voie Lactée, et basée sur des simulations Monte Carlo observation-par-observation incluant tous les paramètres et conditions d’observations pertinents (simulations « run-wise » du fond attendu. Ensuite, je soustrais ce fond entièrement simulé des données observées après avoir ajusté sa normalisation avec un maximum de vraisemblance. Enfin, j’ajuste l’émission résiduelle sur les données en utilisant un maximum de vraisemblance (en gardant les sources connues masquées). Ceci mène à l’émergence d’une composante d’émission étendue près de N 157B qui pourrait être due à l’émission diffuse, et constituer ainsi sa première détection avec un IACT. Une autre raison possible serait la contribution de sources non-résolues.

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