Determination of the instrumental response of the
spectrometer INTEGRAL/SPI and application to
the observation of gamma rays of the Vela region
Détermination de la réponse instrumentale du
spectromètre INTEGRAL/SPI et application à
l'observation des raies gamma de la région des
Voiles
Résumé
The INTEGRAL/SPI spectrometer was designed to observe the sky in the energy band of
20 keV to 8 MeV. The specificity of instrument SPI rests on the excellent spectral resolution
(2.3 keV with 1MeV) of its detecting plan, composed of 19 cooled germanium crystals, covering
an effective area of 508 cm2. The use of a coded mask, located at 1.7 m above the detection plan
ensures to it a resolving power of 2.5 degrees.
The aim of this thesis, begun before the INTEGRAL launch, is made up of two parts. The
first part relates to the analysis of the spectrometer calibration data. The objective was to measure
and check the performances of the telescope, in particular to validate simulations of the
INTEGRAL/SPI instrument response. This objective was successfully achieved. This analysis
also highlights the presence of a significant instrumental background noise. Whereas, the second
part concentrates on the data analysis of the Vela region observations.
I have approached two astrophysical topics dealing with:
• the search for radioactive decays lines of titanium-44, which is produced by explosive
nucleosynthesis, in the supernova remnant of Vela Junior and,
• the search of cyclotron resonance scattering features expected towards 25 keV and 52 keV
in the accreting pulsar spectrum of the x-ray binary star Vela X-1.
Putting forward the hypothesis that the result obtained previously by COMPTEL is correct
and considering the no-detection of the titanium-44 lines by SPI, we give a lower limit at 4500
km s−1 for the ejecta velocity from Vela Junior. The analysis on the research of the cyclotron
lines have shown that the results are very sensitive to the instrumental background. Thorough
studies will be necessary to guarantee an unambiguous detection of these lines.
20 keV to 8 MeV. The specificity of instrument SPI rests on the excellent spectral resolution
(2.3 keV with 1MeV) of its detecting plan, composed of 19 cooled germanium crystals, covering
an effective area of 508 cm2. The use of a coded mask, located at 1.7 m above the detection plan
ensures to it a resolving power of 2.5 degrees.
The aim of this thesis, begun before the INTEGRAL launch, is made up of two parts. The
first part relates to the analysis of the spectrometer calibration data. The objective was to measure
and check the performances of the telescope, in particular to validate simulations of the
INTEGRAL/SPI instrument response. This objective was successfully achieved. This analysis
also highlights the presence of a significant instrumental background noise. Whereas, the second
part concentrates on the data analysis of the Vela region observations.
I have approached two astrophysical topics dealing with:
• the search for radioactive decays lines of titanium-44, which is produced by explosive
nucleosynthesis, in the supernova remnant of Vela Junior and,
• the search of cyclotron resonance scattering features expected towards 25 keV and 52 keV
in the accreting pulsar spectrum of the x-ray binary star Vela X-1.
Putting forward the hypothesis that the result obtained previously by COMPTEL is correct
and considering the no-detection of the titanium-44 lines by SPI, we give a lower limit at 4500
km s−1 for the ejecta velocity from Vela Junior. The analysis on the research of the cyclotron
lines have shown that the results are very sensitive to the instrumental background. Thorough
studies will be necessary to guarantee an unambiguous detection of these lines.
Le spectromètre INTEGRAL/SPI a été conçu pour observer le ciel dans la bande d'énergie de
20 keV à 8 MeV. La spécificité de l'instrument SPI repose sur l'excellente résolution spectrale
(2,3 keV à 1 MeV) de son plan détecteur, composé de 19 cristaux en germanium refroidis,
couvrant une surface utile de 508 cm2. L'utilisation d'un masque codé, placé à 1,7 m au-dessus
du plan de détection lui assure un pouvoir séparateur de 2,5 degrés.
Ce travail de thèse, débuté avant le lancement d'INTEGRAL, se décompose en deux parties.
La première partie concerne l'analyse des données d'étalonnage du spectromètre. L'objectif était
de mesurer et de vérifier les performances du télescope, mais surtout de valider les simulations
de la réponse instrumentale de INTEGRAL/SPI. Cet objectif a été atteint. Cette analyse met aussi
en évidence la présence d'un bruit de fond instrumental important. La deuxième partie, quant à
elle, se concentre sur le traitement de données issues d'observations dans la région des Voiles.
Deux thématiques astrophysiques sont abordées, par la recherche :
– de raies de décroissance radioactives du titane-44, élément de nucléosynthèse explosive,
dans le vestige de supernova de Vela Junior et,
– de raies d'absorption cyclotron attendues vers 25 keV et 52 keV dans le spectre du pulsar
accrétant de l'étoile binaire X, Vela X-1.
À ce stade, sur la base des résultats obtenus précédemment par COMPTEL, la non-détection
des raies du titane-44 par SPI implique une limite inférieure de 4500 km·s−1 sur la vitesse
des éjecta de Vela Junior. En ce qui concerne Vela X-1 et la recherche des raies cyclotron, il
est montré que les résultats sont très sensibles au bruit de fond instrumental. Des études plus
approfondies seront nécessaires pour garantir une détection sans ambiguïté de ces raies.
20 keV à 8 MeV. La spécificité de l'instrument SPI repose sur l'excellente résolution spectrale
(2,3 keV à 1 MeV) de son plan détecteur, composé de 19 cristaux en germanium refroidis,
couvrant une surface utile de 508 cm2. L'utilisation d'un masque codé, placé à 1,7 m au-dessus
du plan de détection lui assure un pouvoir séparateur de 2,5 degrés.
Ce travail de thèse, débuté avant le lancement d'INTEGRAL, se décompose en deux parties.
La première partie concerne l'analyse des données d'étalonnage du spectromètre. L'objectif était
de mesurer et de vérifier les performances du télescope, mais surtout de valider les simulations
de la réponse instrumentale de INTEGRAL/SPI. Cet objectif a été atteint. Cette analyse met aussi
en évidence la présence d'un bruit de fond instrumental important. La deuxième partie, quant à
elle, se concentre sur le traitement de données issues d'observations dans la région des Voiles.
Deux thématiques astrophysiques sont abordées, par la recherche :
– de raies de décroissance radioactives du titane-44, élément de nucléosynthèse explosive,
dans le vestige de supernova de Vela Junior et,
– de raies d'absorption cyclotron attendues vers 25 keV et 52 keV dans le spectre du pulsar
accrétant de l'étoile binaire X, Vela X-1.
À ce stade, sur la base des résultats obtenus précédemment par COMPTEL, la non-détection
des raies du titane-44 par SPI implique une limite inférieure de 4500 km·s−1 sur la vitesse
des éjecta de Vela Junior. En ce qui concerne Vela X-1 et la recherche des raies cyclotron, il
est montré que les résultats sont très sensibles au bruit de fond instrumental. Des études plus
approfondies seront nécessaires pour garantir une détection sans ambiguïté de ces raies.
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