Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

Les axions sont des particules hypothétiques, apparaissant dans des extensions du modèle standard. Ils ont été introduits pour expliquer l’absence de violation de CP dans les interactions fortes. Il constituent par ailleurs un excellent candidat à la matière noire. En présence d’un champ magnétique intense les axions présents dans une expérience de laboratoire pourraient se convertir en ondes radiofréquences, détectables à l’aide d’un radiomètre. Une telle expérience est en cours de montage au CEA Saclay. Le travail de thèse consistera dans un premier temps à développer le radiomètre et à exploiter des bancs de mesures pour en déterminer précisément la sensibilité au signal d’axion, et en optimiser les performances. Dans un second temps, il s’agira de participer à l’étalonnage de l’expérience, de participer aux prises de données et aux analyses de données en vue de produire des contraintes sur les paramètres décrivant les axions.

Les observations en rayons gamma de très hautes énergies (THE, E>100 GeV) sont cruciales pour la compréhension des phénomènes non-thermiques les plus violents à l’œuvre dans l’Univers. La région du centre de la Voie Lactée est une région complexe et active en rayons gamma de THE. Parmi les sources gamma de THE se trouvent le trou noir supermassif Sagittarius A* au coeur de la Galaxie, des vestiges de supernova ou encore des régions de formation d'étoiles. L'émission diffuse détectée par les télescopes H.E.S.S. a permis de détecter le premier « Pevatron » Galactique - un accélérateur cosmique jusqu'à des énergies du PeV. La région du Centre Galactique abrite la base de bulles de Fermi - structures bipolaires s'étendant sur des dizaines de degrés, en lien possible avec une période d'activité passée de Sagittarius A*. La région du Centre Galactique devrait être aussi a source la plus brillante d’annihilations de particules de matière noire en rayons gamma de THE.

L'observatoire H.E.S.S. situé en Namibie est composé de cinq télescopes imageurs à effet Cherenkov atmosphérique. Il est conçu pour détecter des rayons gamma de quelques dizaines de GeV à plusieurs dizaines de TeV. La région du Centre Galactique est observée par H.E.S.S. depuis vingt ans. Ces observations ont permis de détecter le premier Pevatron Galactique et de poser les contraintes les plus fortes à ce jour sur la section efficace d'annihilation de particules de matière noire dans la plage en masse du TeV.

Le travail proposé se concentrera sur l'analyse et l'interprétation de l’ensemble des observations H.E.S.S. conduites dans la région du Centre Galactique vingt ans. La première partie du travail sera dédiée à l’analyse bas niveau des données et à l’étude des erreurs systématiques dans le jeu de données massif. Dans une deuxième partie, l’étudiant(e) combinera l'ensemble des données obtenues lors la phase 1 et le phase 2 de H.E.S.S. pour rechercher des émissions diffuses et des signaux de matière noire à l’aide d'une technique d'ajustement multi-composante. La troisième partie consistera à développer et implémenter une nouvelle méthode d’analyse utilisant les réseaux de neurones Bayesiens pour la recherche de nouvelles émissions astrophysiques dans le centre Galactique avec H.E.S.S. et étudier le potentiel de détection avec CTA. L’étudiant(e) sera amené(e) à prendre part à la prise de données avec les télescopes H.E.S.S.

L’astronomie des très hautes énergies est une partie de l’astronomie relativement récente (30 ans) qui s’intéresse au ciel au-dessus de 50 GeV. Après les succès du réseau H.E.S.S. dans les années 2000, un observatoire international, le Cherenkov Telescope Array (CTA) devrait entrer en fonctionnement à l’horizon 2024. Cet observatoire comportera une cinquantaine de télescopes au total, répartis sur deux sites. L’IRFU est impliqué dans la construction de la NectarCAM, une caméra destinée à équiper les télescopes « moyens » (MST) de CTA. Le premier exemplaire de cette caméra (sur les neuf prévues) est en cours d’intégration à l’IRFU et sera installé sur le site Nord de CTA en 2024. Une fois la caméra installée, les premières observations du ciel pourront avoir lieu, permettant de valider entièrement le fonctionnement de la caméra. La thèse vise à finaliser les tests en chambre noire à l’IRFU, préparer l’installation et valider le fonctionnement de la caméra sur le site de CTA. Elle vise également à effectuer les premières observations astronomiques avec ce nouvel instrument. Il est également prévu de participer à l’analyse des données de la collaboration H.E.S.S., sur des sujets d’astroparticules (recherche de trous noirs primordiaux, contraintes sur l’Invariance de Lorentz à l’aide d’AGN lointains).

Au cours des deux dernières années, les télescopes IACT (Imaging Air Cherenkov Telescopes) H.E.S.S. et MAGIC ont pu détecter des émissions de rayons gamma de très haute énergie provenant de sursauts gamma (GRBs). Ces résultats révolutionnaires ont relancé les discussions sur les mécanismes d'accélération et d'émission de particules que l'on peut trouver dans ces explosions violentes [1].

En complément des détections de GRBs via les satellites à rayons X, la détection des ondes gravitationnelles permet de fournir des informations nouveaux et complémentaires sur la phase de pré-explosion: les conditions initiales, la géométrie du système, et bien plus encore. Le projet de thèse proposé exploitera les possibilités passionnantes données en combinant la détection des ondes gravitationnelles et la détection du GRB résultant par les observatoires de rayons gamma de très haute énergie dans des observations et des analyses véritablement multi-messagers.

Le cœur du projet proposé sera H.E.S.S., actuellement l'instrument gamma le plus sensible au monde, et CTA, l'observatoire mondial de rayons gamma de haute énergie de nouvelle génération. Nous collaborerons également étroitement avec des partenaires du monde entier, dont évidemment l'instrument d'ondes gravitationnelles Advanced VIRGO, le satellite SVOM pour détecter les GRBs, divers radiotélescopes en Australie et en Afrique du Sud, des observatoires optiques, et bien d'autres encore. Le groupe de l'IRFU, CEA Paris-Saclay, dirige les observations des phénomènes transitoires par H.E.S.S. et CTA et possède d'une longue expérience avec ces observations difficiles. Le groupe est également à l'origine de changements et de modernisations de la communication dans la communauté des astroparticules (par exemple via l'application web/smartphone Astro-COLIBRI, voir: https://astro-colibri.com [2]).

Le/la doctorant(e) aura d'abord l'occasion de participer au développement et à l'amélioration des algorithmes qui permet d'optimiser les observations de suivi des phénomènes transitoires astrophysiques. Certains des événements les plus intéressants ne sont détectés qu'avec de grandes incertitudes de localisation (en particulier les ondes gravitationnelles, mais aussi les GRBs, les neutrinos etc.). Nous avons donc besoin d'outils et d'algorithmes spécialisés qui permettent d'orienter les instruments de suivi comme H.E.S.S. dans la bonne direction pour capter rapidement l'émission associée [3]. Une période d'un an d'observations par les interféromètres OG (appelée O4) est prévue de débuter en printemps 2023. Cette période correspond parfaitement au projet de doctorat présenté ici, car l'étudiant(e) sélectionné(e) aura l'occasion de diriger les observations de suivi de H.E.S.S. et de CTA/LST-1 à la recherche de GRBs et d'autres contreparties gamma aux OGs détectés par LIGO/VIRGO/KAGRA pendant cette période. Une quantité importante de temps d'observation avec les télescopes de H.E.S.S. et CTA/SLT-1 a été réservée pour ces recherches passionnantes. Nous aurons donc de nombreuses occasions d'optimiser nos procédures de suivi, beaucoup de données à analyser, des résultats à présenter lors de conférences internationales et des articles à publier.



Le cœur du projet de thèse proposé sera la recherche en temps réel d'une émission gamma transitoire de haute énergie liée à la détection d'une onde gravitationnelle (et d'autres transitoires astrophysiques multi-messagers comme les neutrinos de haute énergie, les sursauts gamma, les sursauts radio rapides, les explosions stellaires/nova, etc.). Les observations combinées prouveront sans équivoque l'existence d'un accélérateur de rayons cosmiques de haute énergie lié à ces phénomènes multi-messagers violents et permettront d'obtenir de nouvelles informations sur les explosions les plus violentes de l'univers.



References:

[1] H.E.S.S. Collaboration: “Revealing x-ray and gamma ray temporal and spectral similarities in the GRB 190829A afterglow, Science, Vol. 372 (2021);

[3] P. Reichherzer, F. Schüssler, et al. : “Astro-COLIBRI-The COincidence LIBrary for Real-time Inquiry for Multimessenger Astrophysics”, ApJS 256 (2021);

[2] H. Ashkar, F. Schüssler, et al. : “The H.E.S.S. gravitational wave rapid follow-up program”, JCAP 03 (2021);