Gamma-ray bursts as probes of the high-redshift universe : studies on Lyman-alpha and Lyman continuum emission in the host galaxies of gamma-ray bursts

Les sursauts gamma comme sondes de l'univers à grand décalage spectral : études sur l'émission Lyman-alpha et Lyman continuum dans les galaxies hôtes de sursauts gamma Les sursauts-gamma (GRBs) sont parmi les événements cosmiques les plus brillants. Ces flashs de photons gamma de courte durée sont suivis d'une rémanence brillante observable des rayons X aux ondes radio. La classe des sursauts-gamma longs (LGRBs) est associée à la mort d'étoiles massives. Les LGRBs se produisent généralement dans des galaxies peu brillantes avec des taux de formation stellaire spécifiques élevés et des environnements à métallicité inférieure à la métallicité solaire. Leurs hôtes pourraient être représentatifs de la population de galaxies présente à l'époque de la réionisation, encore mal connue. L'utilisation des LGRBs comme sondes des galaxies dans l'Univers distant offre des avantages uniques : (i) le flash de photons gamma nous permet de détecter des galaxies à tous décalages spectraux indépendamment de leurs propriétés d'émission; (ii) grâce à leur forte luminosité, les LGRBs peuvent être utilisés comme des phares capables de révéler le milieu interstellaire (MIS) des galaxies même les plus faibles et les plus éloignées, en apportant des détails inaccessibles autrement; (iii) la rémanence des LGRBs s'estompe rapidement, permettant l'étude des galaxies hôtes. Le but de cette thèse est d'utiliser les LGRBs pour étudier certaines des propriétés des galaxies à formation d'étoiles, distantes et faibles. Pour cela, je combine les informations sur le MIS obtenues par les raies d'absorption présentes dans les spectres de rémanence à celles du gaz ionisé obtenues par les raies d'émission de la galaxie hôte. De plus, j’approfondis l'interprétation des données à l'aide de simulations numériques.La première partie de cette thèse montre que les LGRBs sont des outils puissants pour détecter l'échappement de photons ionisants de galaxies très faibles et caractériser les voies par lesquelles cela se produit.Je présente les résultats de l'observation d'émission LyC dans le spectre de rémanence d'un LGRB nouvellement découvert. Cette détection est complétée par les observations de deux autres galaxies hôtes de LGRBs pour lesquelles un échappement de LyC est connu, afin de déterminer leur fraction d'échappement en LyC et de comparer leurs propriétés. Les fractions d'échappement calculées le long de la ligne de visée du LGRB sont élevées, et augmentent le nombre de détections des émetteurs LyC, en particulier à des magnitudes absolues très faibles.La deuxième partie de mon travail est consacrée à l'étude de la population des galaxies hôtes de LGRB étant émetteurs Lyman-alpha (LAE). Je mets à jour le recensement de ces galaxies en fournissant une compilation de toutes les détections disponibles, et en déterminant les statistiques de LAEs à partir d'échantillons spectroscopiques de galaxies hôtes de LGRB et de rémanences.A partir de cette étude, je sélectionne un sous-échantillon de quatre galaxies pour lesquelles on peut mesurer les principaux paramètres nécessaires pour contraindre le modèle de coquille utilisé pour interpréter la raie d'émission Lyman-alpha.Le modèle donne des résultats inconsistants pour les LGRB-LAEs qui présentent les densités de colonne d'hydrogène neutre les plus élevées, pourtant typiques des hôtes de LGRB et des LGRB-LAEs.Ce résultat amène à une interprétation des informations sondées le long de la ligne de visée des LGRBs et de l'échappement des photons Lya. Enfin, ces résultats sont approfondis à travers la simulation numérique d'une galaxie à z=3 ayant des propriétés typiques des galaxies hôtes de LGRB. Je trouve que les photons Lyman-alpha s'échappent de plusieurs régions au sein de la galaxie plutôt que d'une seule région dominante jeune et active qui pourrait héberger le LGRB. Cette thèse montre que les observations de la rémanence des LGRBs et de leur galaxie hôte sont des outils puissants permettant d'explorer les propriétés des galaxies faibles et distantes.