Study of the high-energy transient objects in the Universe in the era of the multimessenger observations
Etude des objets transitoires à haute énergie dans l'Univers dans l'ère des observations multi-messager
Résumé
The Universe is continuously the scene of explosive events capable of releasing a tremendous amount of energy in short time scales. These transients like Gamma-Ray Bursts, Supernovae or Active Galactic Nuclei are often associated with extreme objects such as neutron stars or black holes. Generally, these sources emit light in a large spectral energy range and sometimes in the whole electromagnetic spectrum for the most extreme cases. Thus, a multi-wavelength analysis is crucial to study and understand the complex physical processes at work. Furthermore, in the vicinity of these sources, particles (cosmic-rays, CRs) could be efficiently accelerated up to very high energies by violent shock mecanisms. The interaction of these CRs with the surrounding environment may lead to a substantial production of high-energy neutrinos. Therefore, the study of the high-energy transient objects through neutrino astronomy offer the possibility to finally identify the nature of the powerful cosmic accelerators a hundred year after the discovery of the cosmic-rays.
This thesis is dedicated to the study of two transient sources among the most extreme ones observed in the Universe: the Gamma-Ray Bursts (GRBs) detected ~ 50 years ago and the Fast Radio Bursts (FRBs) newly discovered ~ 15 years ago. These sources are characterised by the "prompt" emission of a gamma-ray flash (keV-MeV) lasting few ms up to few seconds for GRBs and an intense pulse of radio light (GHz) lasting few ms for FRBs. In the case of GRBs a late broadband afterglow emission is observed in X-rays/optical/radio domain while up to now no other electromagnetic counterpart has ever been detected in coincidence with any FRBs. These last years, many models predicting a multi-wavelength and a multi-messenger emission from these two phenomena have been developped. The main goal of this thesis work is to test these models in order to constrain the physics and the nature of the GRBs/FRBs. To do so, a detailed analysis on the physical properties of the GRB afterglow emission was made thanks to a large set of data collected these last 20 years by various facilities. The study reveals the major problems but also the successes encountered with the so-called "standard" GRB model. Subtle connections between the prompt and the afterglow emission are also discussed. In addition, a search for a neutrino signal from GRBs/FRBs was realised with the ANTARES neutrino telescope. The results are described in this thesis as well as the constraints on the particle acceleration mecanisms occuring during these transient phenomena.
At last, this manuscript presents the different innovative observational programs realised in the optical domain with the TAROT and Zadko telescopes and in the astroparticle side with the ANTARES neutrino telescope in order to probe the nature of the GRBs/FRBs progenitors.
L'Univers est continûement le théâtre d'événements explosifs capables de relâcher une énorme quantité d'énergie sur des courtes échelles de temps. Ces sources transitoires comme les sursauts gamma, les supernovae ou les noyaux actifs de galaxie sont souvent associées à des objets extrêmes comme des étoiles à neutrons ou des trous noirs. De manière générale, ces sources émettent des radiations électromagnétiques dans une large bande spectrale voire sur la totalité du spectre pour les cas les plus extrêmes. Dès lors, une analyse multi-longueur d'onde est vitale pour étudier et comprendre la physique complexe de ces objets. De plus, au voisinage de ces sources, des particules (rayons cosmiques, RC) pourraient être efficacement accélérées jusqu'à des énergies très elevées dans des processus de chocs violents. L'interaction de ces RCs avec l'environnement peut conduire à la production d'un nombre significatif de neutrinos de hautes énergies. Par conséquent, l'étude des objets transitoires par le biais de l'astronomie neutrino offre la possibilité d'identifier enfin la nature des puissants accélérateurs cosmiques.
Cette thèse est dédiée à l'étude de deux sources transitoires parmi les plus extrêmes dans l'Univers : les sursauts gamma (en anglais, Gamma-Ray Bursts : GRBs) détectés il y a ~ 50 ans et les sursauts radio (en anglais, Fast Radio Bursts : FRBs) fraîchement découverts il y a ~ 15 ans. Ces sources sont caractérisées par l'émission "prompte" d'un flash gamma (keV-MeV) durant de quelques ms à plusieurs secondes dans le cadre des GRBs et d'un flash intense en radio (GHz) durant quelques ms pour les FRBs. Dans le cas des GRBs une émission rémanente dite "afterglow" est observée dans une large gamme spectrale (X, visible et radio) alors que jusqu'à présent aucune autre contrepartie électromagnétique provenant d'un FRB n'a été découverte. Ces dernières années des modèles d'émission multi-longueur d'onde et multi-messager ont été développés afin d'expliquer ces 2 phénomènes. L'objectif majeur de ce travail de thèse est de tester ces modèles d'émission afin de contraindre la physique et la nature de ces deux objets. Pour cela, une analyse détaillée des propriétés physiques de l'émission afterglow des GRBs a été menée grâce à un large échantillon de données collectées ces 20 dernières années par diverses télescopes. Cette étude a permis de mettre en évidence les lacunes et les réussites du modèle GRB dit "standard" mais aussi les liens physiques subtils existant entre l'émission prompte des GRBs et leurs rémanences. Une recherche de signal neutrino en coïncidence avec les GRBs/FRBs a aussi été réalisée avec le télescope à neutrinos ANTARES. Les résultats sont décrits dans cette thèse ainsi que les contraintes apportées sur les processus d'accélération des particules durant ces phénomènes transitoires.
Enfin, ce manuscrit rend compte des différents programmes d'observations innovants qui ont été engagés sur les télescopes optiques TAROT et Zadko et le télescope à neutrinos ANTARES afin de contraindre la nature des progéniteurs des GRBs/FRBs.
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