Modeling Gamma-Ray Bursts in the Swift-Fermi era
Modélisation des sursauts gamma et de leurs rémanences à l'ère des satellites Swift et Fermi
Résumé
Gamma-Ray Bursts (GRBs) are short flashes (' 10 ms-100 s) of gamma-rays (keV-MeV). These very bright and variable events are followed by an afterglow detected from the X-ray to the optical and radio domains, which decays rapidly and vanishes in a few days/weeks. Their extreme luminosity make them detectable up to cosmological distances (at least to a redshift of 9). They are produced by relativistic jets launched by a newborn compact object. The gamma-ray emission is attributed to internal mechanisms occurring within the jet and the afterglow to the deceleration by the circumburst medium. The Swift satellite launched in 2004 has improved our knowledge of the afterglow (especially the early phase), while the Fermi satellite launched in 2008 has opened a new spectral window at high energy (above 100 MeV). My research work is in line with these recent observational breakthroughs which challenge the " standard " GRB model that was established in the 90s. I have developed numerical tools that are well adapted to model in a consistent way the different emission phases experienced by the relativistic jet, from the photosphere to the deceleration. Using these tools, I have obtained several results that contribute to a better understanding of GRB physics. Regarding the GRB itself, I developed a new approach to compute precisely the opacity seen by a high-energy photon that propagates within a ultra-relativistic jet. By comparing predictions to Fermi observations, I obtain critical constraints on the physical conditions in the relativistic jet (especially the Lorentz factor). I have also tried to identify observational signatures that could help to discriminate between different emission models : spectral (optical and high energy emission, thermal component) and temporal (transition to the afterglow) signatures. Regarding the afterglow, I have carried on the development of an alternative model - the 'reverse shock' model - recently proposed to explain the phenomenological complexity revealed by Swift. My theoretical developments focus on generic properties, but also on peculiar cases and tend to show that the reverse shock model explains more naturally than the standard model the diversity of observed behaviors.
Les sursauts gamma sont de brefs (' 10 ms-100 s) flashs de photons gamma (keV-MeV), très intenses et très variables. Ils sont suivis d'une émission rémanente, détectée des rayons X à l'optique et aux ondes radio, qui décroît rapidement pour s'éteindre en quelques jours ou semaines. Leur luminosité extrême permet de les détecter jusqu'aux distances cosmologiques (au moins jusqu'à un décalage vers le rouge de 9). Ils sont associés à des jets ultra-relativistes éjectés par une source compacte nouvellement formée. Le sursaut est émis par des processus internes au jet et la rémanence est due au freinage par le milieu environnant. Le satellite Swift, lancé en 2004, a fait progresser notre connaissance de la phase rémanente (en particulier précoce), tandis que le satellite Fermi, lancé en 2008, a ouvert une nouvelle fenêtre spectrale à haute énergie (au dessus de 100 MeV). Mes travaux s'inscrivent dans le contexte de ces avancées observationnelles, dont certaines remettent en cause le " modèle standard " des sursauts gamma établi au cours des années 90. J'ai développé les outils numériques nécessaires pour modéliser de manière cohérente l'ensemble des phases d'émission du jet relativiste depuis sa photosphère jusqu'à sa décélération. A l'aide de ces outils j'ai obtenu plusieurs résultats qui contribuent à une meilleure compréhension de la physique des sursauts. Concernant le sursaut proprement dit, j'ai développé une approche nouvelle pour calculer précisément l'opacité vue par un photon de haute énergie se propageant dans un jet ultra-relativiste. Ceci m'a permis d'obtenir des contraintes importantes sur les conditions physiques dans le jet à partir des résultats de Fermi (facteur de Lorentz en particulier). Je me suis également attaché à identifier des signatures observationnelles permettant de discriminer entre différents modèles d'émission : signatures spectrales (émission optique et gamma de haute énergie, composante thermique) et temporelles (transition avec la rémanence). En ce qui concerne la rémanence, j'ai poursuivi le développement d'un modèle alternatif - le modèle du " choc en retour " - récemment proposé pour expliquer la complexité phénoménologique révélée par Swift. Portant sur les propriétés génériques de la rémanence, mais également sur quelques sursauts singuliers, mes travaux montrent que ce modèle du choc en retour explique plus naturellement que le modèle standard la diversité des comportements observés.