Soutenance de thèse de David CORRE

Les sursauts gamma sont des événements cosmiques les plus énergétiques de l’Univers depuis sa formation. De par la luminosité extrême de leur émission multi-longueur d’ondes, ils constituent une opportunité unique de sonder l’Univers lointain. Cette thèse s’inscrit dans le cadre de la préparation de la mission spatiale franco-chinoise SVOM (Space Variable Object Monitor) opérationnelle à l’horizon 2021 et qui aura pour but de détecter et caractériser les sursauts gamma. Cette mission repose sur un ambitieux système de suivi multi longueur d’ondes, combinant des télescopes gamma, X et visible à bord d’un satellite et un complexe réseau de télescopes de suivi au sol dans le visible et proche infrarouge suivant automatiquement et très rapidement les alertes provenant du satellite dans le but de déterminer la position et la distance du sursaut gamma. Cette thèse comporte deux parties distinctes, la première consiste au développement d’un logiciel de simulation de COLIBRI (Catching OpticaL and Infrared BRIght), un des deux télescopes robotiques de suivi au sol, afin d’estimer ses performances scientifiques. La deuxième partie porte principalement sur l’étude de la propriété des poussières au sein des galaxies dans lesquelles se produisent ces sursauts gamma, mais également à l’étude de leur activité de formation stellaire. Le chapitre I présente une introduction générale aux concepts de base de la physique des GRBs, de leur utilisation comme sonde de l’univers lointain et des concepts de base sur la poussière dans les galaxies. Le chapitre II débute par la présentation des caractéristiques instrumentales de COLIBRI, puis décrit les codes développés, un Exposure Time Calculator et un simulateur d'image, pour estimer les performances scientifiques de COLIBRI et enfin présente les performances estimées. Le chapitre III concerne un des objectifs de COLIBRI qui est de fournir une indication sur la distance du sursaut après 5 minutes d’observations. J’ai développé un code permettant de calculer la distance d'un sursaut à l’aide d’un algorithme MCMC. Après sa validation, j’ai utilisé 2 échantillons différents de 500 GRBs pour déterminer une précision relative de l’ordre de 7% pour 3 7. La deuxième partie débute par le chapitre IV qui définit deux concepts, l’extinction et l’atténuation associés à l’effet de la poussière sur le flux émis par une source ponctuelle et un objet étendu. Puis j'ai comparé les courbes d'extinction mesurées sur la ligne de visée de 7 GRBs à la courbe d'atténuation de leurs galaxies à l'aide d'un code de SED fitting, CIGALE. On trouve une grande variété de cas avec des courbes d'atténuation ayant des pentes plus pentues, similaires ou plus plates que les courbes d'extinction. En comparant à un code de transfert radiatif on a pu obtenir des informations sur la distribution étoiles/poussière au sein de ces galaxies. On trouve également que les courbes d'atténuation pentues (plates) corrèlent avec des galaxies avec beaucoup (peu) de poussière, les plus (moins) activent en formation stellaire et les plus (moins) massives. Dans le chapitre V l'échantillon a été élargi à 23 GRBHs et les résultats obtenus confirment les corrélations précédemment trouvées et semblent indiquer que ces corrélations sont principalement liées à la quantité de poussière à l’intérieur de ces galaxies. Les courbes d’atténuation pentues sont généralement associées à une distribution locale de la poussière homogène et à une distribution stellaire entourée d’une couche de poussière. Les courbes d’atténuation plates sont mieux reproduites avec une distribution locale de poussière hétérogène. Un des résultats secondaires de notre analyse a été de réévaluer à la baisse l'estimation des masses stellaires par rapport au Swift Gamma-Ray Burst Host Galaxy Legacy Survey. Sur les 23 galaxies de notre échantillon 6 d’entre elles sont considérées comme des galaxies à sursaut de formation d’étoiles.

Gamma-ray bursts (GRBs) are the most energetic cosmic explosions. Due to their extreme luminosity they can be observed very far away in the Universe and thus offer a unique opportunity to probe the dawn of the Universe. Their study impacts many fields in astrophysics, from ultra-relativistic physics to stellar and galaxy evolution among others. This thesis takes place within the french-chinese SVOM (Space Variable Object Monitor) mission dedicated to the detection and study of GRBs to be launched in 2021. SVOM is a ground and space based multi-wavelength observatory with γ- and X rays detectors as well as a visible telescope onboard the satellite. When the satellite will detect a new transient source in γ-rays domain, an alert is sent to a network of 1m class telescopes on the ground operating in the optical and near infrared domain to refine the accuracy on the position of the source and to estimate its distance. The first part of this thesis is dedicated to the modelling of COLIBRI (Catching OpticaL and Infrared BRIght), a 1.3m optical/NIR robotic follow-up telescope of SVOM, to estimate its scientific performances. The chapter I introduces basic concepts of GRBs physics, their use as probe of the high-redshift Universe as well as basic concepts on dust. In chapter II, instrumental details of COLIBRI are first presented, then the Exposure Time Calculator and image simulator developed for COLIBRI are described before presenting the estimated scientific performances. The chapter III presents an end-to-end simulations aiming at estimating the photometric redshift accuracy of COLIBRI. For this purpose I have developed a photometric redshift algorithm and after its validation, I used two mock samples of 500 GRBs to estimate an averaged relative accuracy of ∼ 7% for 37. The second part of this thesis aims at studying the dust properties of GRB host galaxies (GRBHs). In chapter IV, I first started by introducing both concepts of extinction and attenuation associated to the effect of dust for point sources and extended objects respectively. Then, I compared the extinction curves measured along 7 GRB line of sights with the attenuation curves derived for the whole galaxy using a SED fitting code, CIGALE. There is a great variety of shapes with attenuation curves found to have similar, steeper and flatter slope thant the extinction curves. By comparing our attenuation curves with the results of a radiative transfer model I found a different geometry associated to each GBRH meaning that one single geometry cannot reproduce all observations. I also found that steep (flat) attenuation curves correlate with high (low) amount of dust attenuation, more (less) massive and star forming galaxies. In chapter V, I have built a larger sample of 23 dusty GRBHs to study whether these correlations were due to the small size of the previous sample. I performed a SED fitting for each of these objects and the results confirmed the correlations found with the smaller sample. There is an indication that the main driver of these correlations is the amount of dust attenuation. Furthermore, we compared our results to a radiative transfer model and found that at least for two dust models, GRBHs with steep attenuation curves are best reproduced for an homogeneous local dust distribution with stellar sources surrounded by a dust layer. However, GRBHs with flat attenuation curves are best reproduced with a clumpy dust distribution and stellar sources not surrounded by a dust layer. As a by product of the SED fitting, I found in general lower stellar mass estimates than in the Swift Gamma-Ray Burst Host Galaxy Legacy Survey (SHOALS). From the 23 GRBHs, 17 are following the main sequence of star forming galaxies and 6 are considered starburst galaxies.