L'astrophysique des phénomènes transitoires à l'ère de l'astronomie multi-messagers : des observations jusqu'aux analyses

L'astronomie multi-messagers est un domaine en plein essor depuis une décennie, en particulier depuis l'iconique événement du 17 août 2017 : La toute première détection d'ondes gravitationnelles (OG) en provenance de la fusion d'une binaire d'étoiles à neutrons (BNS), GW170817, a coïncidé avec la détection à haute énergie d'un sursaut gamma (GRB), GRB170817A, suivie de la détection d'une kilonova dans l'UV, l'optique et l'infrarouge. L'observation simultanée de ces trois messagers, prédits par les modèles de fusions BNS, a renforcé l'association entre BNS et sursauts gamma courts, théorisée depuis quelques décennies. Même si GW170817 a permis d'étendre nos connaissances, notamment sur l'équation d'état des étoiles à neutrons ou l'environnement galactique des binaires d'étoiles à neutrons, le manque de nouvelles détections jointes de signal OG avec contrepartie électromagnétique laissent de nombreuses questions ouvertes sur les processus complexes responsables des signaux émis par les fusions BNS. Par exemple, de nombreux modèles concurrents ont des hypothèses différentes sur les caractéristiques de la matière éjectée lors la fusion BNS, au sein de laquelle la nucléosynthèse par processus r nourrit l'émission de la kilonova. De nouvelles observations permettraient de discriminer entre ces modèles. En parallèle, une autre famille d'événements astrophysiques à haute énergie, cette fois associée aux sursauts gamma longs, est très étudiée : les supernovae à effondrement de coeur. Le processus physique à l'origine de leur émission gamma est encore débattue, et l'association de potentielles kilonovas aux GRBs longs 211211A et 230307A remet en question l'explication des GRBs longs et courts par respectivement les effondrements de coeur et les fusions de binaires.Afin d'étudier ces événements astrophysiques par une approche multi-messagers, une synergie importante est nécessaire entre les détecteurs d'OG et de GRB et les télescopes observant dans l'UV, l'optique et l'infrarouge. Nous présentons donc le réseau de télescopes de la collaboration GRANDMA, dédié au suivi de ces événements à haute énergie, et décrivons ses stratégies d'observation pour répondre rapidement aux alertes OG et GRB.Après une discussion sur les étapes de l'analyse photométrique des images de télescopes, durant laquelle nous prêterons attention aux multiples sources d'erreur intervenant dans le calcul des incertitudes sur les magnitudes, nous discuterons ensuite du processus d'estimation de paramètres qui permet d'extraire de l'information d'une courbe de lumière en la comparant à un modèle, dans le cadre de l'analyse bayésienne. Nous soulignons l'importance du paramètre d'incertitude systématique comme mesure du désaccord entre modèle et données. Nous simulons la quantité d'information obtenue par l'analyse de courbes de lumière de kilonovas observées avec différentes cadences d'observation, et nous identifions un seuil autour d'une observation avec plusieurs filtres tous les trois jours, en-dessous duquel nous ne prédisons qu'aucune contrainte significative sur les paramètres de la kilonova ne peut être extraite.Enfin, nous appliquons l'analyse d'estimation de paramètres à quelques événements remarquables. Nous discutons de la tension entre la courbe de lumière de AT2017gfo et sa modélisation par le modèle de kilonova de Bulla et al. (2019). Nous soulignons le potentiel de l'analyse bayésienne pour trancher entre scénarios concurrents : Nous favorisons l'hypothèse d'une kilonova BNS par rapport à celle d'une supernova pour expliquer l'excès dans l'afterglow de GRB 211211A, nous favorisons la présence d'une supernova par rapport à celle d'une kilonova pour GRB 230812B, et nous favorisons un jet avec une distribution d'énergie en power-law plutôt qu'une distribution tophat ou gaussienne pour l'afterglow du GRB 221009A.