Binary neutron star mergers in the multi-messenger era : very high energy afterglows and progenitor evolutionary tracks
Coalescences de binaires d'étoiles à neutrons à l'ère de l'astronomie multi-messagers : rémanences à très haute énergie et voies d'évolution des progéniteurs
Résumé
In 2017, the multi-messenger astronomy era with gravitational waves was opened with the detection of a binary neutron star merger - GW 170817 - and its electromagnetic counterparts: a short gamma-ray burst and its multi-wavelength afterglow, and a kilonova. Though such multi-messenger detections are still currently rare, more mergers have been detected by gravitational wave interferometers and provide insights into the population of merging binaries. This doctoral thesis aims to leverage multi-messenger observations of binary neutron star mergers in two ways. I developed a new realistic model for gamma-ray burst afterglow emission from the deceleration of laterally-structured jets. The population of shock-accelerated electrons radiates via synchrotron and synchrotron self-Compton diffusions in the Thomson and Klein-Nishina regimes. This model has been used to fit the observational data of GW 170817 and predict its very high energy flux. We find that the emission peak is at least two orders of magnitude below the observational upper limit. We provide constraints on the observability conditions by current and future very high energy instruments for similar events. This model was also used to analyse the early afterglow observations of GRB 221009A, the brightest gamma-ray burst ever observed. This afterglow challenges the simplest model where radiation is emitted by a top-hat jet observed on-axis. A complementary approach to the modelling of the electromagnetic counterparts of single events is to model the population statistically. I studied the population of binary neutron stars using a population synthesis model, COSMIC, and uncovered that the dominant evolutionary track of binary neutron star progenitors evolves with redshift. In particular, it is found that an evolutionary track with an accretion-induced collapse of the primary into a neutron star may be dominant at high redshifts. Such an evolutionary track produces short-separation binaries and could therefore contribute to a population of mergers in higher-density environments, the afterglow of which is also more likely to be detected at very high energy. These simulated populations of binary neutron stars have also been used to study the stochastic gravitational wave background. Overall, this thesis has led to the development of new models and methods that are well adapted for future research in the blossoming context of multi-messenger astronomy.
En 2017, l'ère de l'astronomie multi-messagers avec les ondes gravitationnelles s'est ouverte avec la détection de la coalescence d'un système binaire d'étoiles à neutrons - baptisée GW170817 - et de ses contreparties électromagnétiques : un sursaut gamma court et sa rémanence multi-longueurs d'onde, ainsi qu'une kilonova. Bien que de telles détections multi-messagers soient encore rares, d'autres coalescences ont été détectées par les interféromètres à ondes gravitationnelles et aident à mieux comprendre la population d'objets compacts en coalescence. Cette thèse de doctorat vise à exploiter les observations multi-messagers de coalescences d'étoiles à neutrons de deux manières. J'ai développé un nouveau modèle réaliste pour l'émission de la rémanence des sursauts gamma provenant de la décélération de jets structurés latéralement. Dans ce modèle, la population d'électrons accélérés au choc rayonne par effet synchrotron et via des diffusions Compton inverse de ces mêmes photons synchrotron dans les régimes Thomson et Klein-Nishina. Ce modèle a été utilisé pour ajuster les données d'observation de GW 170817 et prédire son flux à très haute énergie. Ces travaux montrent que le pic d'émission est au moins deux ordres de grandeur inférieur à la limite supérieure observée. Nous fournissons également des contraintes sur les conditions d'observabilité d'événements similaires par les instruments à très haute énergie actuels et futurs. Ce modèle a également été utilisé pour analyser les premières observations de la rémanence du GRB 221009A, le sursaut gamma le plus brillant jamais observé. Cette rémanence remet en question dans ce cas le modèle le plus simple dans lequel le rayonnement est émis par un jet conique est sans structure, observé dans l'axe. Une approche complémentaire à la modélisation des contreparties électromagnétiques des événements individuels consiste à modéliser statistiquement la population sous-jacente. J'ai étudié la population de systèmes binaires d'étoiles à neutrons en utilisant un modèle de synthèse de population, COSMIC, et j'ai découvert que la voie évolutive dominante des progéniteurs de tels systèmes évolue avec le redshift. En particulier, ces travaux ont mis en avant qu'une voie évolutive dans laquelle l'une des étoiles à neutrons de la binaire est produite par l'effondrement d'une naine blanche qui grossit par accrétion peut être dominante à haut redshift. Une telle évolution produit des binaires à courte séparation et pourrait donc contribuer à une population qui coalesce dans des environnements plus denses, et dont la rémanence est également plus susceptible d'être détectée à très haute énergie. Ces populations simulées d'étoiles binaires à neutrons ont également été utilisées pour étudier le bruit de fond stochastique des ondes gravitationnelles. En conclusion, cette thèse a conduit au développement de nouveaux modèles et méthodes qui sont bien adaptés à la recherche future dans le contexte florissant de l'astronomie multi-messagers.
Domaines
Astrophysique [astro-ph]Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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