Thèse Étude de l'Évolution Orbitale des Systèmes Binaires à Très Haute Énergie avec H.E.S.S. le Cas de LS 5039 H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Institut Polytechnique de Paris École polytechnique École doctorale : Ecole Doctorale de l'Institut Polytechnique de Paris Laboratoire de recherche : LLR - Laboratoire LEPRINCE-RINGUET Direction de la thèse : Mathieu DE NAUROIS ORCID 000000027245201X Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-06-30T23:59:59 Le réseau de télescopes H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System), situé dans les hauts plateaux de Khomas en Namibie, est l'un des instruments les plus sensibles au monde pour l'observation des rayons gamma de très haute énergie (VHE, E > 100 GeV). Opérationnel depuis 2004, H.E.S.S. a permis de découvrir plus de la moitié des sources TeV connues à ce jour, grâce à sa localisation idéale pour observer le centre de la Voie lactée. Les systèmes binaires émetteurs de rayons gamma, comme LS 5039, sont des objets particulièrement intéressants : composés d'une étoile massive et d'un objet compact (trou noir ou étoile à neutrons), ils présentent une modulation périodique de leur flux gamma, liée à leur orbite. Cette modulation offre une opportunité unique d'étudier les processus physiques extrêmes et l'évolution des systèmes binaires.Les observations de LS 5039 par H.E.S.S. ont révélé une augmentation inattendue de sa période orbitale, un phénomène rare et contre-intuitif. En effet, la plupart des systèmes binaires voient leur période orbitale diminuer en raison de la perte de masse ou de moment angulaire. Dans le cas de LS 5039, l'augmentation observée est dix fois plus importante que la diminution typique, ce qui suggère un mécanisme encore non identifié. Comprendre ce phénomène est crucial pour mieux appréhender l'évolution des systèmes binaires émetteurs de rayons gamma.

Ce projet de thèse se divise en deux parties principales :
1. Étude approfondie de LS 5039 :
Analyse des données : Utiliser les nouvelles données de H.E.S.S. (2016-2028) pour confirmer et affiner la mesure de l'augmentation de la période orbitale. Une proposition d'observation a été soumise pour obtenir 50 heures supplémentaires de données sur LS 5039, ce qui doublera la période d'observation de 10 à 20 ans.
Modélisation : Explorer deux scénarios pour expliquer l'augmentation de la période orbitale : le transfert de masse ou de moment angulaire entre les composantes du système, ou la perte de masse de l'étoile compagne via les vents stellaires.
2. Extension à d'autres systèmes binaires VHE :
Appliquer la même méthodologie à d'autres systèmes binaires détectés par H.E.S.S., afin d'identifier des propriétés communes et de mieux comprendre leur évolution.

Ce travail permettra de mieux contraindre les mécanismes physiques responsables de l'évolution orbitale des systèmes binaires émetteurs de rayons gamma. Il apportera également des éléments clés pour la compréhension des sources de très haute énergie dans la Voie lactée, et pourra avoir des implications pour l'étude des systèmes binaires en général.
Le réseau High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.), situé dans les hauts plateaux du Khomas en Namibie, est l'un des instruments les plus sensibles au monde pour l'observation des rayons gamma de très haute énergie (VHE, E > 100 GeV). Opérationnel depuis 2004, H.E.S.S. a permis de découvrir plus de la moitié des sources TeV connues, grâce à son emplacement idéal pour observer la région centrale de la Voie lactée.
Les systèmes binaires émetteurs de rayons gamma, comme LS 5039, sont des objets particulièrement intéressants : composés d'une étoile massive et d'un objet compact (trou noir ou étoile à neutrons), ils présentent une modulation périodique de leur flux de rayons gamma, liée à leur orbite. Cette modulation offre une opportunité unique d'étudier des processus physiques extrêmes et l'évolution des systèmes binaires.
1) Analyse des données : Utiliser les nouvelles données de H.E.S.S. (2016-2028) pour confirmer et affiner la mesure de l'augmentation de la période orbitale. Une proposition d'observations supplémentaires a été approuvée: 50 heures de données supplémentaires seront acquises sur LS 5039 entre 2026 et 2028, doublant ainsi la période d'observation de 10 à 20 ans.

2) Modélisation : Explorer deux scénarios pour expliquer l'augmentation de la période orbitale :
- le transfert de masse ou de moment cinétique entre les composantes du système,
- la perte de masse de l'étoile compagne via les vents stellaires.

3) Application de la méthodologie : Appliquer la même approche à d'autres systèmes binaires détectés par H.E.S.S., afin d'identifier des propriétés communes et de mieux comprendre leur évolution. Analyse améliorée avec H.E.S.S. :
Réanalyser les données existantes à l'aide de simulations avancées (RunWise) afin de réduire les incertitudes systémiques. Les données récentes obtenues avec la caméra FlashCam seront intégrées pour améliorer la précision des mesures.

Simulation de l'évolution binaire avec MESA :
Utiliser le code MESA (Modules for Experiments in Stellar Astrophysics) pour modéliser l'évolution complète du système binaire, depuis sa formation jusqu'à son état actuel. Ce code permettra d'explorer les transferts de masse et de moment cinétique entre les composantes du système.

Simulation de l'étoile compagne avec PoWR :
Utiliser le code PoWR (Potsdam Wolf-Rayet) pour modéliser les enveloppes stellaires et l'environnement circumstellaire de l'étoile compagne de type O. Les paramètres observationnels, obtenus à partir des données H.E.S.S. et d'autres observations multi-longueurs d'onde, serviront à estimer la perte de masse via les vents stellaires.
Vers une compréhension globale des autres sources :

Comparer les résultats obtenus pour LS 5039 avec d'autres systèmes binaires émetteurs de rayons gamma de très haute énergie (VHE) afin d'identifier des tendances générales et de mieux comprendre la nature et l'évolution de ces sources.

Le candidat retenu doit posséder une solide formation en physique et astrophysique expérimentales et théoriques. Il doit avoir de l'expérience en programmation avec Python, et idéalement, aussi en C++. Il doit avoir une bonne capacité à communiquer en anglais.