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Tester l’invariance de Lorentz avec les sources astrophysiques de haute énergie : l’aube d’une nouvelle ère

Titre : Séparation entre les effets de violation d’invariance de Lorentz et les effets intrinsèques aux sources en astronomie gamma de haute énergie : première étude de population plusieurs types de sources gamma de haute énergie et préparation des analyses dans CTA

Directeur de thèse : : Julien Bolmont

Co-directrice de thèse : Hélène Sol (Laboratoire LUTh)

Équipe : Rayonnement Cosmique et Matière Noire ; groupes H.E.S.S. et CTA

Bourse de thèse : Oui, assurée

Description :

L’astronomie gamma est l’étude des photons émis par des sources astrophysiques dans une gamme d’énergie typiquement comprise entre quelques centaines de kiloélectronvolts (keV) et quelques centaines de téraélectronvolts (TeV). Cette discipline a pris son essor dans les années 60 et depuis, des milliers de sources astrophysiques émettant des rayons gamma ont été observées. Leur point commun est d’avoir pour origine des phénomènes violents tels que des explosions d’étoiles massives (supernovæ) ou par les corps compacts résultants : étoiles à neutrons ou trous noirs.

Un exemple de telles sources sont les noyaux galactiques actifs (AGN). Environ 10 % des galaxies observées sont des AGN : elles présentent une région centrale particulièrement brillante émettant dans un large domaine d’énergies, de la radio aux X et aux gammas. Ce phénomène est dû à la présence d’un trou noir supermassif qui accrète les gaz et les poussières de son environnement proche. Une partie de ce gaz et de ces poussières est éjectée dans des jets de plasma hautement relativistes. Lorsqu’un tel jet pointe dans une direction proche de la Terre, l’émission à haute énergie apparaît très brillante à l’observateur. Ces AGN particuliers sont appelés « blazars ». Les blazars ont la particularité d’être très variables : ils peuvent être extrêmement lumineux à certains moments, avec l’émission de paquets de photons sur des durées allant de quelques minutes à plusieurs heures. Ces épisodes de haute luminosité sont appelés « éruptions » (ou « flares » en anglais).

La variabilité observée avec les blazars, mais aussi avec d’autres sources telles que les sursauts gamma (GRB) et les pulsars, est un moyen précieux pour déduire certaines propriétés de la source. Par exemple, plus la variabilité est rapide, plus la région émettrice est compacte. La variabilité peut également être utilisée pour mesurer les décalages temporels entre les photons de différentes énergies, appelés « décalages spectraux ». Ces retards spectraux peuvent avoir différentes origines. Le premier est la source elle-même, ou plutôt les mécanismes d’émission des photons et d’accélération des particules primaires. Ce sont les « effets intrinsèques à la source » ou simplement « les effets intrinsèques ». La deuxième origine possible peut être liée au fait que la propagation des photons est altérée lors du trajet entre la source et la Terre. On les appelle « effets de propagation ». Un exemple d’effet de propagation sera d’un intérêt particulier pour la thèse proposée. Certains modèles théoriques développés dans le but d’unifier l’infiniment petit de la mécanique quantique et l’infiniment grand de la relativité générale prédisent un tel effet de propagation. Ces modèles de gravité quantique prédisent en effet que la nature quantique de l’espace-temps aux très petites échelles (typiquement l’échelle de Planck, 10-35 m) pourrait modifier la propagation des photons de telle manière que leur vitesse dépendrait de leur énergie, entraînant une violation de l’invariance de Lorentz (VIL).

L’amplitude des effets de VIL devrait augmenter systématiquement avec la distance des sources, contrairement à celle des effets intrinsèques. Les deux effets peuvent s’additionner ou se compenser l’un l’autre. En conséquence, ils doivent être étudiés en parallèle. De plus, il est nécessaire d’étudier le plus de sources possibles pour rechercher ces effets dans des études dites « de population ».

Les groupes du LPNHE et du LUTh ont développé une forte expertise tant sur les effets intrinsèques que sur les effets de propagation. Ils collaborent sur ces sujets depuis des années. L’expertise du groupe du LPNHE réside dans les méthodes d’analyse, les techniques de recherche de retards spectraux (y compris les effets de VIL) dans les données d’expériences gamma, en particulier des télescopes Cherenkov au sol. Le groupe du LUTh est spécialisé dans la physique des AGN et des jets relativistes. Plusieurs codes de simulation sont disponibles pour la modélisation stationnaire et temporelle des blazars. Les deux groupes sont impliqués dans les expériences H.E.S.S. et CTA. H.E.S.S. est un réseau de cinq télescopes Cherenkov situés en Namibie. CTA (Cherenkov Telescope Array) est un vaste réseau de dizaines de télescopes Cherenkov actuellement en construction à La Palma (Iles Canaries). Il devrait prendre ses premières données en 2024. Les performances du CTA dépasseront celles de H.E.S.S. et la sensibilité aux effets intrinsèques et aux effets de VIL sera considérablement améliorée.

Objectifs de la thèse

La thèse sera divisée en deux parties, développées en parallèle.
Dans une première partie, l’étudiant(e) réalisera la première étude de population pour la recherche d’effets de VIL aux hautes et très hautes énergies. Il/Elle analysera toutes les sources disponibles observées par H.E.S.S. et participera au groupe de travail commun déjà existant et regroupant des chercheurs de l’H.E.S.S., et d’autres collaborations (MAGIC et VERITAS). L’objectif de ce groupe de travail est de réaliser cette étude de population regroupant AGN, GRB et pulsars observés par différentes expériences au sol. L’ajout de données d’expériences spatiales telles que le satellite Fermi est également une possibilité. Ce travail donnera lieu à une publication à fort impact.
Dans une deuxième partie, l’étudiant s’intéressera aux méthodes possibles pour discriminer les effets intrinsèques aux sources et les effets de propagation dans un cadre cohérent. Il/Elle prendra en compte les progrès récents de la modélisation des jets AGN dans le cadre des recherches VIL. En particulier, il/elle simulera des « données virtuelles » pour explorer les capacités de CTA à détecter effectivement les retards spectraux des éruptions AGN typiques et étudiera les performances de CTA pour séparer les retards dus à la VIL et aux effets intrinsèques. Il/Elle fera des propositions de stratégies d’observation pour optimiser les chances d’atteindre cet objectif. Une deuxième publication est prévue sur cette étude. Le doctorant contribuera également à l’analyse des premières données de CTA en fin de thèse.

Informations supplémentaires

L’étudiant(e) sera membre des deux groupes du LPNHE et du LUTh ainsi que de la Collaboration H.E.S.S. et du Consortium CTA. Elle/Il aura la possibilité de participer aux prises de données H.E.S.S. sur le site en Namibie. Elle/Il aura l’opportunité de présenter son travail lors de conférences internationales.

Lieu de travail : LPNHE, Paris

Déplacements éventuels : Le(La) candidat(e) retenu(e) devra effectuer des visites régulières à l’Observatoire de Paris à Meudon. Il/Elle aura la possibilité de participer à la prise de données de l’expérience H.E.S.S. en Namibie. Il/Elle devra assister aux réunions de collaboration H.E.S.S. et CTA.

Contact :

Documentations :

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