Deux exemples de rémanences: GRB 090426 et GRB 110205

6.2.1 Critères de sélection: détection des sursauts gamma par ECLAIRs105

6.2.2 Détection et localisation des rémanences par MXT . . . 107 6.3 Conclusions . . . 112

Dans le chapitre précédent, j’ai présenté différents algorithmes de localisation dont j’ai caractérisé les performances en fonction du nombre de coups de la source d’intérêt et du bruit de fond afin de déterminer, quel couple algorithme - traitement d’image est le plus efficace (en termes de précision de localisation et de temps de traitement), dans des conditions données.

J’utilise maintenant les études de précision de mes algorithmes de localisation afin de déterminer leurs performances dans des conditions réalistes issues de la base données de rémanences de sursauts gamma observées par la mission spatiale Swift (section 1.2.4) entre le début de la mission et fin 2017. Ceci correspond à un échantillon de 1046 sursauts gamma (détectés par BAT) pour lesquels 895 rémanences ont été détectées par XRT.

J’ai choisi d’étudier les sursauts gamma observés par cette mission, car ils repré- sentent l’ensemble homogène le plus grand disponible à ce jour (avec plus de 1000 sur- sauts observés sur plus de 13 ans dont les rémanences sont caractérisées pour près de 900 sursauts gamma).

6.1

Conversion des flux XRT (Swift) en flux MXT

(SVOM)

L’objectif de cette partie est, à partir de la base de données de l’instrument XRT1

(Evans et al. 2009), embarqué à bord de la mission Swift, d’estimer le nombre de coups que MXT aurait détecté en observant le même sursaut. Dans cette base de données, les rémanences sont modélisées spectralement (le spectre est moyenné sur l’ensemble de l’observation) par une loi de puissance absorbée selon l’équation 6.1 :

N (E) = K exp (−NHσ(E)) × E−Γ (6.1)

où N (E) est le densité de photons pour une énergie E, K est la normalisation de la loi de puissance exprimée en unités de 10−12 erg.cm−2.s−1, Γ la pente de la loi de puissance en énergie, NH la densité de surface de l’absorbeur en équivalent hydrogène et

σ(E) la section efficace de l’effet photoélectrique calculée selon les abondances chimiques de Anders & Ebihara (1982).

Afin d’obtenir pour chaque courbe de lumière de XRT, la courbe correspondante pour MXT en coups par seconde dans la bande 0,3 - 10 keV, j’ai calculé un facteur de conversion entre les flux XRT (en coups/s) et les flux attendus par MXT en tenant compte des caractéristiques spectrales de chaque rémanence et des caractéristiques de chaque instrument.

Pour cela, j’ai utilisé le programme XSPEC (Arnaud 1996) qui permet de simuler des observations d’un instrument à partir d’un modèle spectral donné et la réponse des instruments en termes de surface efficace. La surface efficace de MXT utilisée ici est celle correspondant au dernier modèle de PSF en date (avril 20172) qui inclut la contribution du pic et des bras de la PSF. La surface efficace de XRT a évolué au cours du temps de la mission, et pour chaque rémanence de sursaut gamma, j’ai utilisé la surface efficace correspondant à la date du sursaut3.

J’obtiens ainsi pour chaque rémanence le flux en coups par seconde attendu pour MXT ainsi que le nombre de coups total détecté pour la chaque rémanence. Sur la figure

6.1, j’ai représenté l’histogramme des rapports entre les nombres de coups des rémanences observées par XRT et ceux correspondant à MXT. Nous pouvons observer que 78% de ces rapports sont distribués entre 2 et 6, et la valeur médiane et de 3,1. Nous obtenons ainsi une estimation de la conversion des coups XRT en coups MXT.

6.1.1

Influence des paramètres physiques sur le rapport des

coups XRT / MXT

Dans cette section, j’étudie l’influence des paramètres physiques NH et Γ sur les

rapports des coups XRT / MXT.

1. http://www.swift.ac.uk/xrt_products/index.php

2. https://forge.in2p3.fr/projects/mxt-it/dmsf?folder_id=90

3. http://www.swift.ac.uk/analysis/xrt/rmfarf.php

Figure 6.1 – Histogramme représentant la distribution des rapports entre les coups XRT et les coups MXT pour chaque rémanence de la base de données de Swift/XRT.

Figure 6.2 – Répartition des rapports de coups XRT/MXT en fonction de la densité de surface de l’absorbeur en équivalent hydrogène NH pour les rémanences de sursauts

gamma observées par la mission Swift entre 2004 et 2017.

Figure 6.3 – Répartition des rapports de coups XRT/MXT en fonction de l’indice spec- tral pour les rémanences de sursauts gamma observées par la mission Swift entre 2004 et 2017.

Sur la figure6.2, j’ai représenté la densité de surface de l’absorbeur en équivalent hy- drogène (NH) en fonction du rapport de flux entre XRT et MXT. Les rapports XRT/MXT

les plus élevés sont expliqués par un NH élevé. En effet, le fait qu’il y ait une absorption

plus grande à basse énergie défavorise l’instrument MXT car il s’agit du domaine d’énergie dans lequel il est le plus sensible.

La figure6.3représente les indices spectraux des rémanences en fonction de rapports de coups XRT/MXT. Nous pouvons constater ici qu’il n’y a pas de corrélation entre les indices spectraux et les rapports des coups.

Le rapport des coups dépend donc principalement du paramètre NH. Pour l’étude

des futures rémanences de sursaut gamma, il sera donc possible d’effectuer des approxi- mations de ce rapport en se basant sur le paramètre NH en utilisant le graphique de la

figure6.2, sans appliquer la méthode décrite précédemment utilisant XSPEC. À l’inverse, connaissant le rapport, il sera également possible de faire une estimation du paramètre NH.

6.1.2

Deux exemples de rémanences : GRB 090426 et GRB

110205

Dans cette section, je présente deux exemples de rémanences de sursauts gamma observées par l’instrument XRT. Grâce aux facteurs de conversion des coups XRT/MXT que j’ai calculés pour chaque rémanence, je peux estimer les courbes de lumière qu’aurait observé MXT à partir de celles observées par XRT.

La figure 6.4 montre deux exemples de courbes de lumières de sursauts gamma, observés par les instruments BAT et XRT et successivement par des instruments situés au sol, ayant été observés sur une grande partie des longueurs d’onde telle que celle qui sera couverte par les instruments de SVOM. Ces sursauts sont survenus le 26 avril 2009 (GRB 090426) (Antonelli et al. 2009) et le 5 février 2011 (GRB 110205A) (Cucchiara

et al. 2011; Gendre et al. 2012;Zheng et al. 2012).

Figure 6.4 – Courbes de lumière de sursauts gamma ayant une contribution allant des domaines de l’infrarouge aux rayon gamma. En haut, pour le sursaut gamma GRB 090426 et en bas pour le sursaut gamma 110205A (D.Turpin, communication interne).

J’ai représenté, sur la figure 6.5, le cas de la rémanence du sursaut gamma GRB 110205A. La courbe de lumière est représentée pour l’instrument XRT et pour l’instrument MXT (pour un rapport signal sur bruit dont la détection est de significativité supérieure à 3σ). Le facteur de conversion entre les deux instruments est de 3,5 pour ce sursaut. Nous pouvons remarquer que, en quelques centaines de secondes, le flux de la rémanence est atténué de deux ordres de grandeur. L’importance d’une observation rapide est donc primordiale.

Associé à cette courbe de lumière, j’ai tracé, le nombre de coups cumulés observés par l’instrument MXT en fonction du temps, et l’erreur de localisation associée après application de l’algorithme de localisation M1DB (voir section 5.2.3.2) sur des données simulées à l’aide de cette courbe de lumière. Cette rémanence est intense dans la gamme 6. Évaluation des performances des méthodes de localisation 101

Flux (coups / s) Temps (s) GRB 110205A GRB 110205A Nombre de coups Erreur sur la précision de localisation (Arcsec) Coups cumulés Localisation Temps (s)

Figure 6.5 – En haut, représentation des courbes de lumière de la contrepartie X du sursaut gamma GRB 110205A de XRT (en noir) et de MXT (en rouge). En bas, nombre total de coups cumulés en fonction du temps pour la contrepartie X du sursaut gamma GRB 110205A observée par MXT (en noir) et la précision de localisation associée basée sur l’algorithme M1DB (en bleu).

des rayons X et environ 100 coups par seconde sont enregistrés dans MXT au début de son observation. Cela correspond à une rémanence plus brillante que 95% de celles contenues dans la base de données de Swift/XRT. J’ai effectué ces simulations dans un cas idéalisé, sans ajout de bruit, qui est de toute façon négligeable en intégrant l’ensemble des coups jusqu’à la fin de la première orbite, correspondant à la coupure observée à 2000 s. Si SVOM est capable de se réorienter aussi rapidement que Swift (autour de la centaine de secondes), le nombre de coups cumulés sera important, ici supérieur à 20 000, et l’erreur de localisation associée se situe autour de 15” en quelques centaines de secondes. En intégrant sur le temps d’observation maximal de MXT, soit jusqu’à la fin de la première orbite, et en tenant compte du bruit, correspondant sur cette durée à environ 2.103 _coups de bruit, avec les performances de l’algorithme M1DB sur les données corrélées ou lissées (annexe B), la précision de localisation en R90 attendue est de l’ordre de 18”. La position du sursaut sera donc transmise, en temps réel, aux instruments situés au sol pour effectuer à leur tour des observations de la rémanence.

Un autre exemple de rémanence de sursaut gamma est celle associée au GRB 090426 que j’ai représenté sur les figures 6.6. La rémanence est de plus faible intensité que la précédente mais reste plus brillante que 60% de celles contenues dans la base de données Swift/XRT. Le flux correspondant estimé pour MXT est inférieur à 1 coup/s à t = 100 s. En effectuant une intégration des coups sur 600 s soit, entre t = 100 s et t = 700 s, nous pouvons constater qu’environ 200 coups sont accumulés. L’erreur de localisation associée est de 90”, calculée avec l’algorithme M1DB sans traitement sur des données simulées avec la courbe de lumière correspondante, ce qui est compatible avec les spécifications de la mission de 120”. En se référant à la courbe de la précision de localisation théorique associée à cet algorithme pour un bruit de 600 coups (voir chapitre5), nous pouvons constater que 200 coups de source permettent d’obtenir une précision de localisation en R90de 75” après un traitement des données par corrélation. En revanche, si SVOM met trop de temps à se réorienter pour avoir la source dans le champ de vue de MXT, il deviendra difficile d’obtenir une localisation précise de la source observée du fait de sa faible intensité sur des temps plus longs. D’après les spécifications de la mission, le satellite doit être stabilisé pour un maximum de 300 s après le début de la réorientation dans 80% des observations (document interne : SV-SY-STB-49-JPO). J’ai effectué une étude de la limite temporelle de réorientation du satellite en fonction de la précision de localisation dans le chapitre

7.