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L’univers multi-messager est l’un des sujets de recherche les plus fructueux en astronomie. Les quinze dernières années ont vu en particulier i) le dévoilement du ciel gamma au GeV dans l’espace et au TeV depuis le sol ; ii) la découverte de neutrinos d’origine astrophysique jusqu’au PeV ; iii) l’observation directe des ondes gravitationnelles ; iv) la découverte de l’anisotropie dans les directions d’arrivée des rayons cosmiques au delà de l’EeV. Ces découvertes ont marqué l’essor du domaine multi-messager.

Une classe particulière de sources astrophysiques non thermiques d’intérêt pour trois de ces messagers est celle des noyaux actifs de galaxie (AGN) à jets. Les AGN à jet représentent 80 % des ~1 600 sources détectées en rayons gamma au-delà de 10 GeV par Fermi-LAT en plein ciel. Ces sources non thermiques émettent sur l’ensemble du spectre électromagnétique avec une forte luminosité bolométrique, liée au mouvement relativiste de la région radiative le long des jets. Avec des jets quasi alignés avec la ligne de visée, les blazars abritant un trou noir super-massif (millions à milliards de masses solaires) peuvent, de manière persistante ou transitoire, éclipser les milliards d’étoiles de la galaxie hôte. Les blazars présentent un flux variable sur des échelles de temps allant de plusieurs années à quelques minutes. La variabilité rapide de ces sources fournit des contraintes sur la taille de la région d’émission et sur sa vitesse globale d’approche de l’observateur. Les distributions de flux sont souvent à longue queue et relativement bien modélisées par des distributions log-normales, avec des conclusions débattues sur l’origine des variation du flux : propagation en cascade de fluctuations dans le disque d’accrétion ou variations du taux d’accélération à l’intérieur du jet. Alors que les travaux théoriques sont activement développés pour prédire ces variations, un recensement non biaisé de la variabilité des blazars reste hors de portée. Cette méconnaissance empêche de tirer des conclusions solides sur l’association des blazars à des messagers tels que les neutrinos au TeV-PeV et les rayons cosmiques à l’EeV.

Les blazars observés dans le domaine des rayons gamma par Fermi-LAT sont également observés dans les relevés optiques. Leurs émissions présentent des propriétés communes en optique et rayon gamma, comme attendu dans les modèles d’émission à large bande. Avec l’avènement de l’astronomie dans le domaine temporel, les relevés optiques vont permettre dès demain de cartographier la variabilité de la majeure partie du ciel transitoire. Par exemple, le relevé ZTF génère actuellement ~10⁵ alertes optiques par nuit, et l’observatoire Rubin devrait en générer dix à cent fois plus d’ici 2024. Ces données sont traitées par des gestionnaires d’alerte (brokers) tels que Fink qui, en plus de ses capacités de traitement à haute fréquence, peut ingérer et redistribuer les alertes de manière ouverte, les croiser avec celles d’autres observatoires et les corréler avec des catalogues de sources connues. Nous avons déjà configuré Fink de manière à ce qu’il puisse ingérer des flux de données en temps réel provenant des blazars de Fermi-LAT. Ce flux de données en rayons gamma constitue la meilleure voie préparatoire aux alertes à envoyer et à recevoir par le Cherenkov Telescope Array (CTA), l’observatoire de rayons gamma de nouvelle génération.

Ce projet de doctorat tire parti des derniers développements en matière d’astronomie dans le domaine temporel, en combinant des relevés optiques et des relevés de rayons gamma pour comprendre et interpréter la variabilité des blazars. La première année du travail de doctorat verra notamment le début de l’exploitation de Rubin/LSST et de CTA-Nord, à laquelle les directeurs de thèse contribuent activement. L’objectif est d’établir un cadre mathématique cohérent pour caractériser l’ensemble des propriétés optiques et gamma des blazars. Le travail de doctorat se concentrera sur la construction d’une cartographie quadridimensionnelle (direction, distance, temps) des blazars qui servira de base pour déduire le cycle de fonctionnement des blazars et automatiser la détection des événements transitoires de ces sources. Une telle approche bénéficiera continuellement des nouvelles informations obtenues (apprentissage automatique et/ou humain), conduisant à la découverte de nouveaux événements transitoires à partir de blazars, et ouvrant une toute nouvelle fenêtre sur le ciel transitoire.