UNTRIGGERED SEARCH FOR OPTICAL COUNTERPARTS
OF GAMMA-RAY BURSTS IN IMAGES
OF THE CANADA-FRANCE-HAWAII TELESCOPE
“VERY WIDE SURVEY“
RECHERCHE SYSTEMATIQUE DE CONTREPARTIES
OPTIQUES DE SURSAUTS GAMMA
DANS LES IMAGES DU "VERY WIDE SURVEY"
DU TELESCOPE CANADA-FRANCE-HAWAII
Résumé
Gamma-Ray Bursts (hereafter GRBs) are short and bright flashes of high-energy photons which happen at random time and position on the sky, with a frequency of about two per days. These events are the most energetic known in the Universe, and during their life-time, which goes from a few milliseconds to a couple of minutes, they become most brilliant than the whole sources of the sky gathered.The fast and accurate localisations of the prompt gamma-ray emission of GRB by on-board detectors have led to the discovery of their counterparts in other wavelengths, which have been called afterglows. Due to the fast decay of their luminosity, optical afterglows can only be seen from a few hours to a few days after the burst. Afterglows observations allowed the confirmation of the cosmological nature of GRBs by measures of spectroscopic reddening, the presence of host galaxies, and their association with a pecular type of supernovae.
There is some evidence that the prompt emission is collimated into a jet, whereas the late emission is more isotropic. One argument is provided by the achromatic steepening observed in many afterglow light-curves. At about the time of the steepening, the jet spreads out, and the afterglow becomes visible for off-axis observers. Therefore, we expect to observe many more afterglows than GRBs. Afterglows that are not associated with an observed GRB are called orphan afterglows. Since all GRBs recorded to date have been detected by their high-energy emission, the search for orphan GRB afterglows offers a complementary way to test the beaming hypothesis and to measure the beaming factor. Untriggered searches for GRB afterglows have already been attempted by a few teams, but none of them leads to the detection of optical afterglows, because of little sensitivity or poor sky coverage.
We have performed a search for optical afterglows in the images acquired for the Very Wide Survey, a observational program at the Canada-France-Hawaii Telescope, which covers a thousand of square degrees with a decent limiting magnitude. Each field is observed several times within the same observational period. This recurrence can be used to compare images of the same field in order to detect new, vanishing, and variable objects. This work is done by a dedicated Real Time Analysis System called "Optically Selected GRB Afterglows". This fully automatic pipeline consists at first in creating catalogs of the astrophysical sources of the image, and in calibrating parameters of these sources, and then in comparing catalogs of images of the same field and extracts a list of transient and variable objects. Objects are finally checked manually by a member of the collaboration who choose to reject the object as a false detection or to validate it as a truly variable object.
Since the beginning of the RTAS, we analyzed more than 490 square degrees down to magnitude r'=22.5, which represents about 20 millions of objects. Amongst these objects, 0.07% are found to be variable by the process, but only 10% of them are truly variable sources. Most of them are variable stars. We are left with one strong afterglow candidate that seems to follow the decreasing of the luminosity of a typical afterglow. We have also performed simulations which randomly generates afterglow light-curves in the sky, and computes the number of afterglows expected for a given observationl strategy. These simulations show that the Very Wide Survey combined with the RTAS is the best strategy for the search for optical afterglows, since we expect 10 times more afterglows than in previous searches. These simulations also allows us to give a limit to the total number of afterglows in the sky, and to compare this value to the theoretical models. If we assume that we have detected one afterglow, the number of afterglows in the sky at a given time is 100. This value is consistent with the model of Totani & Panaitescu, but incompatible with the predictions of Nakar et al. and Zou et al..
There is some evidence that the prompt emission is collimated into a jet, whereas the late emission is more isotropic. One argument is provided by the achromatic steepening observed in many afterglow light-curves. At about the time of the steepening, the jet spreads out, and the afterglow becomes visible for off-axis observers. Therefore, we expect to observe many more afterglows than GRBs. Afterglows that are not associated with an observed GRB are called orphan afterglows. Since all GRBs recorded to date have been detected by their high-energy emission, the search for orphan GRB afterglows offers a complementary way to test the beaming hypothesis and to measure the beaming factor. Untriggered searches for GRB afterglows have already been attempted by a few teams, but none of them leads to the detection of optical afterglows, because of little sensitivity or poor sky coverage.
We have performed a search for optical afterglows in the images acquired for the Very Wide Survey, a observational program at the Canada-France-Hawaii Telescope, which covers a thousand of square degrees with a decent limiting magnitude. Each field is observed several times within the same observational period. This recurrence can be used to compare images of the same field in order to detect new, vanishing, and variable objects. This work is done by a dedicated Real Time Analysis System called "Optically Selected GRB Afterglows". This fully automatic pipeline consists at first in creating catalogs of the astrophysical sources of the image, and in calibrating parameters of these sources, and then in comparing catalogs of images of the same field and extracts a list of transient and variable objects. Objects are finally checked manually by a member of the collaboration who choose to reject the object as a false detection or to validate it as a truly variable object.
Since the beginning of the RTAS, we analyzed more than 490 square degrees down to magnitude r'=22.5, which represents about 20 millions of objects. Amongst these objects, 0.07% are found to be variable by the process, but only 10% of them are truly variable sources. Most of them are variable stars. We are left with one strong afterglow candidate that seems to follow the decreasing of the luminosity of a typical afterglow. We have also performed simulations which randomly generates afterglow light-curves in the sky, and computes the number of afterglows expected for a given observationl strategy. These simulations show that the Very Wide Survey combined with the RTAS is the best strategy for the search for optical afterglows, since we expect 10 times more afterglows than in previous searches. These simulations also allows us to give a limit to the total number of afterglows in the sky, and to compare this value to the theoretical models. If we assume that we have detected one afterglow, the number of afterglows in the sky at a given time is 100. This value is consistent with the model of Totani & Panaitescu, but incompatible with the predictions of Nakar et al. and Zou et al..
Les sursauts gamma sont des flashes très brefs et intenses de photons de haute énergie se produisant à des positions et à des temps aléatoires, avec une fréquence de deux par jour. Durant leur temps de vie, qui est en moyenne de quelques secondes, ils deviennent plus brillants que l'ensemble des sources de la voûte céleste. Leurs localisations rapides et précises ont permis la découverte de leurs contreparties dans les autres longueurs d'onde, les afterglows. Dans le domaine optique, les afterglows ont la particularité de décroître rapidement en luminosité, ce qui ne les rend visibles que peu de temps après le sursaut (quelques heures à quelques jours). Les mesures de leur décalage vers le rouge ont apporté la preuve que les sursauts gamma sont des évènements se produisant à des distances cosmologiques. Les observations d'afterglows ont aussi montré la présence de galaxies hôtes aux sursauts, et l'émergence de supernovae dans les courbes de lumière d'afterglows.
Les modèles théoriques de sursauts gamma prédisent la présence d'une focalisation de l'émission gamma. L'observation de cassures dans un grand nombre de courbes de lumière d'afterglows optiques, conséquence attendue de cette focalisation, a permis de confirmer cette hypothèse. L'afterglow émettant dans un cône qui s'élargit avec le temps, il en découle l'existence d'afterglows qui ne sont pas associés à un sursaut gamma visible. Ceux-ci sont appelés afterglows orphelins. La recherche d'afterglows orphelins est un enjeu crucial pour la compréhension des sursauts gamma. Leur détection permettra en effet l'étude des sursauts proches et des sursauts sans émission gamma, et constituera un excellent moyen pour tester l'hypothèse de focalisation de l'émission gamma. Les quelques recherches d'afterglows optiques qui ont été effectuées jusqu'alors se sont toutes révélées infructueuses, puisque aucun afterglow n'a été identifié.
Dans cette étude, je présente une nouvelle recherche d'afterglows optiques. Elle s'effectue dans les images d'une stratégie d'observation ayant lieu au Télescope Canada-France-Hawaii, nommée le Very Wide Survey. Elle prévoit de couvrir 1200 degrés carrés du ciel jusqu'à la magnitude r' = 22,5. Chaque champ est observé plusieurs fois, avec des intervalles de temps de l'ordre de l'heure et de la journée. Afin de traiter les images du Very Wide Survey, j'ai développé et mis en place un système d'analyse en temps réel, nommé "Optically Selected GRB Afterglows". Ce système, entièrement automatisé, crée dans un premier temps des catalogues d'objets à partir des images, puis dans un second temps compare entre eux les catalogues d'un même champ acquis à des instants différents, afin d'extraire les objets variables en luminosité, et ceux qui sont apparus ou ont disparu. Ces objets sont ensuite affichés sur une page Web où ils peuvent être validés comme candidat afterglow par un membre de la collaboration.
Les statistiques effectuées sur les catalogues et sur les comparaisons montrent que ce système de recherche est très performant. Plus de 99,5% des images sont traitées sans encombre et rapidement, nous permettant d'envoyer des alertes à la communauté des sursauts en moins de
24 heures. Les objets détectés variables représentent moins de 0,01% des objets. Environ 10% d'entre eux sont de véritables objets variables qu'il nous faut séparer manuellement des fausses détections. Durant ma thèse, j'ai également développé un programme de simulation d'afterglows qui permet d'évaluer l'efficacité d'une stratégie d'observation et de calculer un nombre d'afterglows attendus suivant un modèle de sursaut donné. Les résultats des simulations montrent que notre recherche d'afterglows est de loin la plus performante ayant jamais été effectuée. Dans l'intégralité des images du Very Wide Survey, nous attendons entre 4 et 5 détections d'afterglows. Pour l'instant, notre recherche en temps réel n'a pas abouti à l'identification d'un afterglow optique avec certitude. Nous sommes néanmoins capables de proposer des contraintes sur le rapport du nombre d'afterglows sur le nombre de sursauts. La valeur supérieure limite que nous obtenons est de 12,6 afterglows par sursaut gamma, jusqu'à la magnitude 22,5 et avec 90% de confiance.
Les modèles théoriques de sursauts gamma prédisent la présence d'une focalisation de l'émission gamma. L'observation de cassures dans un grand nombre de courbes de lumière d'afterglows optiques, conséquence attendue de cette focalisation, a permis de confirmer cette hypothèse. L'afterglow émettant dans un cône qui s'élargit avec le temps, il en découle l'existence d'afterglows qui ne sont pas associés à un sursaut gamma visible. Ceux-ci sont appelés afterglows orphelins. La recherche d'afterglows orphelins est un enjeu crucial pour la compréhension des sursauts gamma. Leur détection permettra en effet l'étude des sursauts proches et des sursauts sans émission gamma, et constituera un excellent moyen pour tester l'hypothèse de focalisation de l'émission gamma. Les quelques recherches d'afterglows optiques qui ont été effectuées jusqu'alors se sont toutes révélées infructueuses, puisque aucun afterglow n'a été identifié.
Dans cette étude, je présente une nouvelle recherche d'afterglows optiques. Elle s'effectue dans les images d'une stratégie d'observation ayant lieu au Télescope Canada-France-Hawaii, nommée le Very Wide Survey. Elle prévoit de couvrir 1200 degrés carrés du ciel jusqu'à la magnitude r' = 22,5. Chaque champ est observé plusieurs fois, avec des intervalles de temps de l'ordre de l'heure et de la journée. Afin de traiter les images du Very Wide Survey, j'ai développé et mis en place un système d'analyse en temps réel, nommé "Optically Selected GRB Afterglows". Ce système, entièrement automatisé, crée dans un premier temps des catalogues d'objets à partir des images, puis dans un second temps compare entre eux les catalogues d'un même champ acquis à des instants différents, afin d'extraire les objets variables en luminosité, et ceux qui sont apparus ou ont disparu. Ces objets sont ensuite affichés sur une page Web où ils peuvent être validés comme candidat afterglow par un membre de la collaboration.
Les statistiques effectuées sur les catalogues et sur les comparaisons montrent que ce système de recherche est très performant. Plus de 99,5% des images sont traitées sans encombre et rapidement, nous permettant d'envoyer des alertes à la communauté des sursauts en moins de
24 heures. Les objets détectés variables représentent moins de 0,01% des objets. Environ 10% d'entre eux sont de véritables objets variables qu'il nous faut séparer manuellement des fausses détections. Durant ma thèse, j'ai également développé un programme de simulation d'afterglows qui permet d'évaluer l'efficacité d'une stratégie d'observation et de calculer un nombre d'afterglows attendus suivant un modèle de sursaut donné. Les résultats des simulations montrent que notre recherche d'afterglows est de loin la plus performante ayant jamais été effectuée. Dans l'intégralité des images du Very Wide Survey, nous attendons entre 4 et 5 détections d'afterglows. Pour l'instant, notre recherche en temps réel n'a pas abouti à l'identification d'un afterglow optique avec certitude. Nous sommes néanmoins capables de proposer des contraintes sur le rapport du nombre d'afterglows sur le nombre de sursauts. La valeur supérieure limite que nous obtenons est de 12,6 afterglows par sursaut gamma, jusqu'à la magnitude 22,5 et avec 90% de confiance.
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