Simulations de la caméra d'imagerie grand champ d'ECLAIRS – Modélisation des régions internes des Noyaux Actifs de Galaxies
Résumé
The first part of my thesis deals with the ECLAIRs mission, dedicated to the study of the prompt multi-wavelength emission of Gamma-Ray Bursts (GRBs). The performance of the wide-field X-γ spectro-imager onboard ECLAIRs is computed with Monte-Carlo simulations. The sensitivity to GRB detections depends principally on the background level in the camera. Taking into account the environment at an altitude of 600 km and for a 20o inclination orbit, the background in the imaging energy range (4 to 50 keV) is estimated to be 7.1 counts cm-2 s-1. The limiting sensitivity for a 5.5 σ detection threshold is expected to be 530 mCrab in 1 second in the 4-50 keV energy range. From the level of the background in the 4-300 keV energy range, 50 to 90 GRBs are expected to be detectable per year. From a sample of a hundred GRBs detected in the camera field of view, 47% and 61% of these GRBs should be located with a precision better than 10 and 20 arc-minutes respectively in 1.024 seconds.
With a 105o x 105o field of view and limiting sensitivities of 10 mCrab and 3 mCrab for a 10 h exposure in the 20-200 keV and 3-10 keV energy ranges respectively, the X-γ camera will also survey the sky, to detect X-ray novae, Soft Gamma Repeaters and Active Galactic Nuclei (AGN).
The second part of my thesis concerns the photo-ionisation code Titan for the physical interpretation of XMM-Newton and Chandra high resolution spectra of AGN. Titan computes the radiative transfer 'in a full way', in taking into account the interconnection between matter and radiation, unlike other codes which are dedicated to the interpretation of AGN spectra alone. These codes often use simplified formalisms based on the escape probability. We show evidence that the computation of the radiative transfer 'in a full way' is important to take into account the effects of radiative transfer, and therefore to have a proper interpretation of AGN spectra. Indeed, the use of the escape probability formalism to compute the radiative transfer induces higher line fluxes for the resonant lines, overestimated by approximately 30% for media with a total column density of CD < 1021 cm-2 and up to an order of magnitude higher for media with CD > 1024 cm-2.
A set of spectroscopic diagnostics has been found from a theoretical studies using Titan of the He-like line triplets. These diagnostics allow us to determine the density, the total column density and the ionisation parameters of the observed photo-ionised media, by measuring the fluxes and the radiative recombination continua of the He-like line triplets.
With a 105o x 105o field of view and limiting sensitivities of 10 mCrab and 3 mCrab for a 10 h exposure in the 20-200 keV and 3-10 keV energy ranges respectively, the X-γ camera will also survey the sky, to detect X-ray novae, Soft Gamma Repeaters and Active Galactic Nuclei (AGN).
The second part of my thesis concerns the photo-ionisation code Titan for the physical interpretation of XMM-Newton and Chandra high resolution spectra of AGN. Titan computes the radiative transfer 'in a full way', in taking into account the interconnection between matter and radiation, unlike other codes which are dedicated to the interpretation of AGN spectra alone. These codes often use simplified formalisms based on the escape probability. We show evidence that the computation of the radiative transfer 'in a full way' is important to take into account the effects of radiative transfer, and therefore to have a proper interpretation of AGN spectra. Indeed, the use of the escape probability formalism to compute the radiative transfer induces higher line fluxes for the resonant lines, overestimated by approximately 30% for media with a total column density of CD < 1021 cm-2 and up to an order of magnitude higher for media with CD > 1024 cm-2.
A set of spectroscopic diagnostics has been found from a theoretical studies using Titan of the He-like line triplets. These diagnostics allow us to determine the density, the total column density and the ionisation parameters of the observed photo-ionised media, by measuring the fluxes and the radiative recombination continua of the He-like line triplets.
La première partie de cette thèse est centrée sur la mission ECLAIRs, dédiée à l'étude de l'émission prompte multi-longueurs d'onde des sursauts γ. Les performances de la caméra X/γ d'imagerie grand champ d'ECLAIRs sont estimées par des simulations Monte-Carlo. La sensibilité de détection des sursauts γ dépend principalement du bruit de fond sur la caméra. En prenant en compte les principales composantes de l'environnement spatial (le fond diffus X extra-galactique, les protons du rayonnement cosmique et atmosphériques, les neutrons atmosphériques, et les photons X-γ de l'albédo terrestre) pour une orbite d'ECLAIRs à 600 km d'altitude et à 20o d'inclinaison, le bruit de fond dans la bande d'imagerie de 4 à 50 keV est estimé à 7,1 coups cm-2 s-1. La sensibilité limite pour un seuil de détection de 5,5 σ de fluctuations du bruit de fond est estimée à 530 milli-Crabe sur une seconde d'intégration dans la bande d'énergie de 4 à 50 keV. Compte tenu des niveaux de bruit de fond, le taux de sursauts γ détectables par an, dans la bande 4-300 keV, est estimé entre 50 et 90 sursauts γ suivant la dureté du sursaut. Pour un échantillon d'une centaine de sursauts détectés, 47% seront localisés à mieux que 10' et 61% à mieux 20' pour un temps d'intégration de 1,024 secondes. Par ailleurs, avec un champ de vue de 105o x 105o et une sensibilité limite de 10 milli-Crabe sur 10 h d'intégration dans la bande 20-200 keV et 3 milli-Crabe dans la bande 4-10 keV, la caméra X-γ fera également un balayage de la sphère céleste, à la recherche de noyaux actifs de galaxies (NAG), de novae X, et de Soft Gamma Repeaters.
Dans la seconde partie de cette thèse, nous nous intéressons à l'apport du code de photo-ionisation, Titan, dans l'interprétation des spectres de haute résolution des NAG, obtenus en X avec les satellites XMM-Newton et Chandra. Nous montrons que les formalismes approchés utilisés pour résoudre le transfert radiatif induisent des interprétations imprécises des spectres des NAG en X, car les flux de raies calculées (notamment les raies de résonance) sont systématiquement surestimés par 30% pour des milieux avec une densité de colonne totale CD < 1021 cm-2 à un ordre de grandeur pour des milieux avec CD > 1024 cm-2. A partir d'une étude théorique du triplet de raies des ions héliumoïdes, nous mettons également en évidence un jeu de diagnostics spectroscopiques. Ces diagnostics permettent de déterminer la densité, la densité de colonne totale et le paramètre d'ionisation des milieux photo-ionisés observés, à partir de la mesure des flux de raies et de la température des continus de recombinaison radiative.
Dans la seconde partie de cette thèse, nous nous intéressons à l'apport du code de photo-ionisation, Titan, dans l'interprétation des spectres de haute résolution des NAG, obtenus en X avec les satellites XMM-Newton et Chandra. Nous montrons que les formalismes approchés utilisés pour résoudre le transfert radiatif induisent des interprétations imprécises des spectres des NAG en X, car les flux de raies calculées (notamment les raies de résonance) sont systématiquement surestimés par 30% pour des milieux avec une densité de colonne totale CD < 1021 cm-2 à un ordre de grandeur pour des milieux avec CD > 1024 cm-2. A partir d'une étude théorique du triplet de raies des ions héliumoïdes, nous mettons également en évidence un jeu de diagnostics spectroscopiques. Ces diagnostics permettent de déterminer la densité, la densité de colonne totale et le paramètre d'ionisation des milieux photo-ionisés observés, à partir de la mesure des flux de raies et de la température des continus de recombinaison radiative.