Note publique d'information : Cette thèse est consacrée au développement d'un modèle End-to-End pour le spectrocalorimètre
X-IFU qui observera à partir de 2028 l'Univers en rayons X avec une précision jamais
atteinte auparavant. Ce travail s'est essentiellement organisé en deux parties. J'ai
dans un premier temps étudié la dynamique des parties les plus internes des binaires
X de faible masse à l'aide de deux sondes particulières que sont les sursauts X et
les oscillations quasi-périodiques au kHz (kHz QPOs). En me basant sur les données
d'archive du satellite Rossi X-ray Timing Explorer et sur des méthodes d'analyse spécifiquement
développées dans ce but, j'ai notamment pu mettre en évidence pour la première fois
une réaction du premier sur le second, confirmant le lien très étroit entre ces oscillations
et les parties les plus internes du système. Le temps de rétablissement du système
suite aux sursauts entre également en conflit dans la plupart des cas avec l'augmentation
supposée du taux d'accrétion suite à ces explosions. Au travers d'une analyse spectro-temporelle
complète des deux kHz QPOs de 4U 1728-34, j'ai également pu confirmer l'incompatibilité
des spectres de retard des deux QPOs qui suggère une origine différente de ces deux
oscillations. L'étude de leurs spectres de covariance, obtenus pour la première fois
dans cette thèse, a quant à elle mis en évidence le rôle central de la couche de Comptonisation
et potentiellement celui d'une zone particulièrement compacte de la couche limite
pour l'émission des QPOs. Dans le second volet de ma thèse, j'ai développé un simulateur
End-to-End pour l'instrument X-IFU permettant de représenter l'ensemble du processus
menant à une observation scientifique en rayons X, de l'émission des photons par une
source jusqu'à leur mesure finale à bord du satellite. J'ai notamment mis en place
des outils permettant la comparaison précise de plusieurs matrices de détecteurs en
prenant en compte les effets de la reconstruction du signal brut issu des électroniques
de lecture. Cette étude a mis en évidence l'intérêt de configurations hybrides, contenant
une sous-matrice de petits pixels capables d'améliorer par un ordre de grandeur la
capacité de comptage de l'instrument. Une solution alternative consisterait à défocaliser
le miroir lors de l'observation de sources ponctuelles brillantes. Situées au coeur
de la performance du X-IFU, j'ai également comparé de manière exhaustive différentes
méthodes de reconstruction des signaux bruts issus des détecteurs X-IFU. Ceci a permis
de montrer qu'à faible coût en termes de puissance de calcul embarquée, une amélioration
significative de la résolution en énergie finale de l'instrument pouvait être obtenue
à l'aide d'algorithmes plus sophistiqués. En tenant compte des contraintes de calibration,
le candidat le plus prometteur apparaît aujourd'hui être l'analyse dans l'espace de
résistance. En me servant de la caractérisation des performances des différents types
de pixels, j'ai également mis en place une méthode de simulation rapide et modulable
de l'ensemble de l'instrument permettant d'obtenir des observations synthétiques à
long temps d'exposition de sources X très complexes, représentatives des futures capacités
du X-IFU. Cet outil m'a notamment permis d'étudier la sensibilité de cet instrument
aux effets de temps mort et de confusion, mais également d'estimer sa future capacité
à distinguer différents régimes de turbulence dans les amas de galaxies et de mesurer
leur profil d'abondance et de température. A plus long terme ce simulateur pourra
servir à l'étude d'autres cas scientifiques, ainsi qu'à l'analyse d'effets à l'échelle
de l'ensemble du plan de détection tels que la diaphonie entre pixels.
Note publique d'information : This thesis is dedicated to the development of an End-ta-End model for the X-IFU spectrocalorimeter
scheduled for launch in 2028 on board the Athena mission and which will observe the
X-ray universe with unprecedented precision. This work has been mainly organized in
two parts. I studied first the dynamics of the innermost parts of low mass X-ray binaries
using two specific probes of the accretion flow: type I X-ray bursts and kHz quasi-periodic
oscillations (kHz QPOs). Starting from the archivai data of the Rossi X-ray Timing
Explorer mission and using specific data analysis techniques, I notably highlighted
for the first time a reaction of the latter to the former, confirming the tight link
between this oscillation and the inner parts of the system. The measured recovery
time was also found in conflict with recent claims of an enhancement of the accretion
rate following these thermonuclear explosions. From the exhaustive spectral timing
analysis of both kHz QPOs in 4U 1728-34, I further confirmed the inconsistancy of
their lag energy spectra, pointing towards a different origin for these two oscillations.
The study of their covariance spectra, obtained here for the first time, has revealed
the key role of the Comptonization layer, and potentially of a more compact part of
it, in the emission of the QPOs. In the second part of my thesis, I focused on the
development of an End-to-:End simulator for the X-IFU capable of depicting the full
process leading to an X-ray observation, from the photon emission by the astrophysical
source to their on-board detection. I notably implemented tools allowing the precise
comparison of different potential pixel array configurations taking into account the
effects of the event reconstruction from the raw data coming from the readout electronics.
This study highlighted the advantage of using hybrid arrays containing a small pixel
sub-array capable of improving by an order of magnitude the count rate capability
of the instrument. An alternative solution would consist in defocusing the mirror
during the observation of bright point sources. Being a key component of the overall
X-IFU performance, I also thoroughly compared different reconstruction methods of
the pixel raw signal. This showed that with a minimal impact on the required on-board
processing power, a significant improvement of the final energy resolution could be
obtained from more sophisticated reconstruction methods. Taking into account the calibration
constraints, the most promising candidate currently appears to be the so-called "resistance
space analysis". Taking advantage of the obtained performance characterization of
the different foreseen pixel types, I also developed a fast and modular simulation
method of the complete instrument providing representative synthetic observations
with long exposure times of complex astrophysical sources suffinguish different turbulence
regimes in galaxy clusters and to measure abundance and temperature profiles. In the
longer run, this simulator will be useful for the study of other scientific cases
as well as the analysis of instrumental effects at the full detection plane level
such as pixel crosstalk.
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