Gamma-ray burst production efficiency from stars : constraints from population models and host galaxies
Institution:
Sorbonne universitéDisciplines:
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Abstract EN:
Gamma-ray bursts (GRBs) are brief bursts of high-energy electromagnetic radiation originating from space, formed in an ultra-relativistic jet following the aftermath of a newly born stellar mass black hole. A subclass of so-called long-duration GRBs (LGRBs, lasting typically a few tens of seconds) have been shown to be associated with the core-collapse of massive stars. Due to the short-lived nature of massive stars, LGRBs have been suggested as promising tracers of star formation up to the earliest epochs of the Universe. However, not all massive star core-collapses give rise to LGRBs as these are rare events, requiring particular conditions to form. In this thesis, we investigate a crucial ingredient for using LGRBs as tracers of star formation: the LGRB efficiency, defined as the fraction of core-collapses that form an LGRB. In the first part of the thesis, we present a statistical population model developed to reproduce three carefully selected observational constraints. This model allows us to constrain the intrinsic LGRB population and quantify the LGRB efficiency, showing that it increases with redshift. The second part of the thesis is devoted to identifying the factors affecting the LGRB efficiency by studying a complete, unbiased sample of LGRBs at 1 < z < 2. We study the environments in which LGRBs form by studying the properties of their host galaxies and comparing them with typical star-forming galaxies. We show that, as expected from theoretical considerations, metallicity is a key driving factor behind the LGRB efficiency. These results combined bring us one step closer to understanding the progenitors of LGRBs.
Abstract FR:
Les sursauts gamma (GRB) sont de brèves bouffées de rayonnement électromagnétique à haute énergie provenant de l'espace, formés dans un jet ultra-relativiste à l'issue de la naissance d'un trou noir stellaire. Une sous-classe de GRB dite longs (LGRB) s'est avérée associée à l'effondrement de coeur d'étoiles massives, ainsi les LGRB ont été suggérés comme des traceurs prometteurs de la formation stellaire jusqu'aux premiers ages de l'Univers. Cependant, les coeurs stellaires ne donnent pas tous lieu à des LGRB, car ces derniers sont des événements rares nécessitant des conditions particulières pour être formés. Dans cette thèse, nous étudions un ingrédient essentiel pour utiliser les LGRB en tant que traceurs de formation stellaire: l’efficacité des LGRB, définie comme la fraction des effondrements de coeur qui forme un LGRB. Dans la première partie de la thèse, nous présentons un modèle statistique de population développé pour reproduire trois contraintes observationnelles soigneusement sélectionnées. Ce modèle nous permet de contraindre la population intrinsèque de LGRB et de montrer que l'efficacité des LGRB augmente avec le redshift. La deuxième partie de la thèse est consacrée à l'identification de facteurs affectant l'efficacité des LGRB par l'étude d'un échantillon complet et sans biais de LGRB à 1 < z < 2. Nous étudions les environnements dans lesquels se forment les LGRB en étudiant les propriétés de leurs galaxies hôtes et en les comparant aux galaxies à formation d'étoiles. Nous montrons que la métallicité est un facteur déterminant régissant l’efficacité des LGRB. Ces résultats combinés offrent un pas de plus vers la compréhension des astres parents des LGRB.