Les sursauts gamma comme sondes de l’univers multi-messager
Sofia Bisero

La première, et à ce jour unique, observation multi-messager de la coalescence d’une binaire d’étoiles à neutrons (BEN) en 2017 a marqué le début de l’astrophysique multi-messager avec les ondes gravitationnelles (OG). Pour la première fois, il a été possible d’étudier la nucléosynthèse des éléments lourds à travers les signatures spectrales d’une kilonova (KN) et de suivre la rémanence d’un sursaut gamma (GRB) vu hors axe, révélant ainsi la structure de son jet ultra-relativiste. Cependant, aucune autre détection conjointe d’ondes gravitationnelles et de rayonnement électromagnétique (EM) n’a eu lieu depuis. La première partie de cette thèse se concentre sur les observations de rémanances vues hors axe comme moyen d’explorer la structure des jets. Les données de la rémanence du GRB de 2017 ont fourni une preuve directe qu’au moins une fraction des jets de GRB présentent une structure latérale en énergie et en vitesse, comme cela avait été supposé depuis le début des années 2000. Plus précisément, j’étudie le lien possible entre cette structure latérale et la phase de plateau observée dans certaines courbes de lumière X de GRB, qui pourrait apparaître lorsque le jet est observé selon une ligne de visée proche de son core, d’après des modèles proposés dans la littérature. Pour cela, j’ai constitué un jeu de données de courbes de lumière X et optiques bien échantillonnées à partir des observations de Swift, dans le but de tester les prédictions d’un modèle de jet structuré de pointe. J’analyse en détail deux GRBs à titre d’étude de cas, en mettant en évidence les difficultés à reproduire simultanément les courbes X et optiques avec un jeu de paramètres physiquement cohérent. La seconde partie de cette thèse se projette vers l’avenir prometteur du domaine, lorsque les interféromètres d’ondes gravitationnelles de troisième génération (3G) entraîneront une augmentation spectaculaire du nombre de détections de BEN. J’évalue le rôle de la spectroscopie intégrale de champ et multi-objet pour relever les défis associés à la détection, à l’identification et à la caractérisation des contreparties EM des fusions de BEN dans l’ère des détecteurs de 3G. À cette fin, je réalise des simulations d’observations avec le Wide-field Spectroscopic Telescope (WST), afin de déterminer ses capacités de détection et d’évaluer son impact sur la recherche de contreparties. Je discute des stratégies d’observation envisageables, des limitations potentielles ainsi que des pistes pour les surmonter, et j’identifie les principaux défis à relever. Cette thèse vise à contribuer aux avancées scientifiques ouvertes par l’événement multimessager de 2017. Elle cherche à améliorer notre compréhension des contreparties EM en exploitant les jeux de données GRB existants et elle souligne l’importance de concevoir dès maintenant de nouveaux instruments EM adaptés et d’élaborer des stratégies de suivi optimisées en amont de l’ère des détecteurs d’OG de troisième génération, afin de tirer pleinement parti du potentiel de découverte offert par les observations multi-messager des coalescences de BEN.