Development of a general-purpose sky simulator for Low Earth Orbit wide-field X/gamma-ray instruments and its application to the assessment of SVOM/ECLAIRs trigger performance

Gamma-Ray Bursts (GRBs) are the most luminous explosions in the universe. They are observed as bright flashes of gamma/X-rays (lasting a few milliseconds to a few tens of seconds) followed by an "afterglow" emission (usually at longer wavelengths). They are produced either due to the merger of two compact objects (a pair of neutron stars or a neutron star and a black hole) or due to the core collapse of a massive star (> 15 solar mass). GRBs are excellent candidates to study physics at extreme energies and densities. They also constitute important astrophysical tools to probe the history of the universe as they are observed at all epochs. The upcoming (June 2022) Sino-French mission SVOM (Space-based multi-band astronomical Variable Objects Monitor) aims to detect and study GRBs using dedicated space and ground based instruments to obtain multi-wavelength coverage. The primary instrument onboard SVOM spacecraft is ECLAIRs, a wide-field (~ 2 sr) coded-mask imager sensitive in the 4 - 150 keV energy range. ECLAIRs will detect and localise GRBs (and other high energy transients) in near real time using an onboard trigger. ECLAIRs will encounter a high and variable background due to the wide field-of-view (FoV) and the pointing strategy of SVOM which makes the Earth transit through the FoV. A new method (called Particle Interaction Recycling Approach or PIRA), based on Monte-Carlo simulations (GEANT4), was developed to estimate the variable background accurately and rapidly. The simulations of the background are complemented with simulations of X-ray sources and gamma-ray bursts to generate complete observation scenarios. The variable background of ECLAIRs poses challenges to detect GRBs and affects the sensitivity of the instrument. We use the simulated data to evaluate the performance of the onboard trigger, in particular, the impact of the variable background and its sensitivity to the GRB characteristics (duration, temporal profile, spectral shape,position in the FoV). ECLAIRs will send all detected photons to the ground. In addition, the availability of a larger computational power and the better knowledge of the context (e.g. background variations, sources in the FoV, etc.) on the ground motivates us to develop an "offline trigger" to overcome the challenges faced by the onboard trigger. An algorithm based on wavelet transforms is proposed to detect GRBs as part of the offline trigger. The work in this thesis, i.e. the development of PIRA, instrument's performance evaluation and development of a trigger method, provides a sound basis to build an effective offline trigger that will complement the onboard trigger and improve the overall performance of the SVOM mission.; Les sursauts gamma (Gamma-Ray Bursts ou GRBs) sont les explosions les plus lumineuses de l'univers. On les observe sous la forme de bouffées de rayons X/ƴ (d'une durée de quelques millisecondes à quelques dizaines de secondes) suivies d'une émission rémanente (généralement à de plus grandes longueurs d'onde). Ils résultent soit de la fusion de deux objets compacts (une paire d'étoiles à neutrons ou une étoile à neutrons et un trou noir), soit de l'effondrement du noyau d'une étoile massive (>15 masse solaire). Les GRBs sont d'excellents candidats pour étudier la physique aux énergies et densités extrêmes et un outil astrophysique pour sonder l'histoire de l'univers car ils sont observés à tous les âges de celui-ci. La mission spatiale Sino-Française SVOM (lancement prévu en juin 2022) a pour objectif la détection et l'étude des GRBs à l'aide d'instruments spatiaux et terrestres dédiés afin d'obtenir une couverture multi-longueurs d'onde. Le principal instrument à bord du satellite SVOM est ECLAIRs, un imageur à masque codé à grand champ de vue (~2 sr) fonctionnant dans la bande d'énergie de 4 à 150 keV. ECLAIRs détectera et localisera les GRBs (ainsi que d'autres sources transitoires à hautes énergies) en temps quasi réel grâce à son " trigger " embarqué. Le bruit de fond d'ECLAIRs est élevé et variable en raison du grand champ de vue et de la stratégie de pointage de SVOM qui amène la Terre à transiter dans le champ de vue. Une nouvelle méthode (appelée "Particle Interaction Recycling Approach" ou PIRA en anglais), basée sur des simulations de Monte-Carlo (GEANT4), a été développée pour estimer précisément et rapidement le bruit de fond variable. Les simulations du bruit de fond sont complétées avec des sources X et des sursauts gamma afin de générer des scénarios d'observation complets. Le bruit de fond variable d'ECLAIRs pose des problèmes pour la détection des GRBs et affecte la sensibilité de l'instrument. Nous avons évalué les performances du "trigger" embarqué, notamment l'impact du bruit de fond sur la détection des sources transitoires et sa sensibilité aux caractéristiques des GRBs (durée, profil temporel, forme spectrale, position dans le champ de vue). ECLAIRs enverra au sol tous les photons détectés. De plus, la disponibilité d'une plus grande puissance de calcul et une meilleure connaissance du contexte (par exemple, les variations du bruit de fond, les sources dans le champ de vue, etc.) au sol, nous ont conduits à développer un "trigger" sol pour surmonter les difficultés rencontrées par le "trigger" embarqué. Ainsi, nous proposons un algorithme basé sur des transformées en ondelettes pour détecter les GRBs dans le cadre du "trigger" sol. Les travaux de cette thèse, à savoir le développement de PIRA, l'évaluation des performances et le développement d'un nouvel algorithme de détection de sursauts, fournissent une base solide pour construire un "trigger" sol efficace, qui complétera le "trigger" embarqué et améliorera les performances globales de la mission SVOM.