Study of the prompt emission of gamma ray bursts: HETE-2 experiment
Etude de l'émission prompte des sursauts gamma: Expérience HETE-2
Résumé
Gamma ray bursts are very short cosmological phenomena (lasting a few milliseconds to several hundred seconds), extremely intense and powerful: the emitted energy is received essentially as photons of a few hundreds of keV. Since their discovery, at the end of the sixties by American satellites of the VELA series, the emission mechanism of gamma ray bursts remains poorly understood by astrophysicists. For 30 years, these phenomena have been sources of surprises and interrogations but at the same time of technological, physical, and theoretical advances. The BATSE experiment has detected during nine years (1991--2000) an average of one burst per day and collected successfully many data on gamma ray bursts. It has showed in particular that gamma ray bursts were distributed isotropically but nonhomogeneously on the sky, which strongly favoured a cosmological origin of gamma ray bursts. The later dectection, thanks to the BeppoSAX satellite (1996--2002), of optical, X and radio counterparts, called ``afterglow'' whose redshifts lie between z=0.1 and z=4, definitely confirmed the cosmological origin of gamma ray bursts. With almost 3000 bursts, BATSE allowed to determine temporal and spectral characteristics of the gamma emission of gamma ray bursts, called the prompt emission. Concerning light curves, they are diverses and each burst is unique. Spectra, on the other hand, are non thermal and can be fit by an empirical model, called the Band model, which is defined by two power laws smoothly connected. The HETE-2 satellite, launched in October 2000, is dedicated to the observation of gamma ray bursts in a broad energy range from 2 keV to 400 keV. The main instrument, the gamma detector FREGATE (6 -- 400 keV), was built by the CESR in Toulouse. I present in this thesis the spectral study of 64 gamma ray bursts detected by HETE-2 between October 2000 and April 2004. In particular, HETE-2 has confirmed the existence of soft gamma ray bursts, previously discovered by BeppoSAX. Two classes of bursts were defined: X-Ray Flashes and X-Ray Rich bursts which form with `` classical'' gamma ray bursts a single phenomenon whose typical energy range extend from few keV to few MeV (including hard gamma ray bursts detected by BATSE). Analysing jointly data of both FREGATE and the WXM (X-ray instrument of HETE-2 which energy range is 2--25 keV) allowed me to study spectra in a particularly broad energy range, covering the low energy portion of the spectrum (2 -- 400 keV). Such an energy range allowed me to study in details spectra of soft gamma ray burst, which represent almost three quarters of the total sample of bursts detected by HETE-2. I have shown that these kind of bursts have the same temporal and spectral characteristics as BASTE bursts. Then I have studied a simplified theoretical model of the internal shocks, which explains the prompt emission of gamma ray bursts. This model, nowadays accepted by the majority of the community, involves a relativistic wind into which shocks are formed, the internal shocks which emit high energy photons, by emission synchotron mainly, forming the prompt emission. This study, using numerical simulations, allowed me to gerenate a significant number of gamma ray bursts. Using the constrains derived from the spectral characteristics of X-Ray-Flashes and X-Ray-Rich bursts detected by HETE-2, I determined the main intrinsic characteristics of the model which allow the production of X ray flashes.
Les sursauts gamma sont des phénomènes cosmologiques très brefs (de quelques millisecondes à plusieurs centaines de secondes), extrêmement intenses et énergétiques: l'énergie émise est reçue essentiellement autour de quelques centaines de keV. Depuis leur découverte à la fin des années soixante par les satellites américains de la série VELA, le mécanisme d'émission des sursauts gamma reste en partie inconnu aux astrophysiciens. Depuis 30 ans, ces phénomènes sont sources de surprises, interrogations, avancés technologiques, physiques, théoriques. Le satellite HETE-2, lancé en Octobre 2000, est dédié à l'observation des sursauts gamma dans une large gamme d'énergie s'étendant de 2 keV à 400 keV. L'instrument principal, le détecteur gamma FREGATE (6--400 keV), fut construit par le CESR à Toulouse. Je présente dans cette thèse l'étude spectrale de 64 sursauts gamma détectés par HETE-2 entre Octobre 2000 et Avril 2004. En particulier, HETE-2 confirma l'existence de sursauts ``mous'', précédemment découverts par le satellite Beppo SAX. Deux classes de sursauts ont été définis: les X-Ray Flash et les sursauts X-Ray Rich qui sont issus avec les sursauts gamma ``classiques'' d'un unique phénomène dont la gamme d'énergie s'étend de quelques keV à quelques MeV (en incluant les sursauts les plus énergétiques détectés par BATSE, expérience qui de 1991 à 2000 recueilli avec succès de nombreuses données sur les sursauts gamma). En mettant en commun les données de FREGATE et de la WXM (instrument X de HETE-2 dont la gamme d'énergie est comprise entre 2 keV et 25 keV), j'ai étudié les spectres dans une gamme d'énergie particulièrement large et qui se situe à basse énergie (2--400 keV). Cette gamme d'énergie m'a permis d'étudier en détails les spectres de ces sursauts mous, qui représentent approximativement les trois quart de l'échantillon total des sursauts détectés par HETE-2. J'ai montré que ces sursauts étaient simplement des sursauts gamma mous, avec les mêmes caractéristiques temporelles et spectrales que les sursauts gamma de BATSE. J'ai ensuite étudié un modèle théorique simplifié des chocs internes qui explique l'émission prompte des sursauts gamma. Ce modèle, aujourd'hui accepté par la majorité de la communauté met en jeu l'émission d'un vent relativiste au sein duquel se forment des chocs: les chocs internes qui, par émission synchrotron principalement, émettent des photons gamma de hautes énergies, formant l'émission prompte. Cette étude m'a permis, à partir de simulations numériques de générer un nombre important de sursauts gamma synthétiques. En utilisant les contraintes déterminées des caractéristiques spectrales des sursauts X-Ray Flashes et X-Ray Rich observés par HETE-2, j'ai déterminer les principales caractéristiques intrinsèques du modèle qui permettent de produire des X-Ray Flashes.