La propagation des rayons Ɣ de très haute énergie (E > 100GeV) dans l'univers est affectée par les propriétés du milieu extragalactique. Ces photons à l'échelle du TeV, issus des processus d'accélération de particules dans les noyaux actifs de galaxies, peuvent en effet interagir avec des photons du fond optique et infrarouge qui baignent l'univers et produire des paires d'électrons et de positrons. Ce processus réduit la transparence de l'univers aux rayons Ɣ de très haute énergie mais permet en revanche de sonder les propriétés du milieu extragalactique de façon unique. Dans cette thèse, les données prises par le réseau de télescopes à imagerie Tcherenkov atmosphérique H.E.S.S. sont analysées et utilisées afin de caractériser la transparence de l'univers aux rayons Ɣ de très haute énergie. Une mesure indépendante de la distribution spectrale en énergie du fond cosmologique optique et infrarouge est réalisée à travers l'ajustement des modulations observées dans les spectres en énergie obtenus avec H.E.S.S. pour un échantillon de noyaux actifs de galaxies brillants dans une gamme en redshift 0.03 < z < 0.28. Les résultats obtenus sont compatibles avec les limites inférieures dérivées par comptages de galaxies et ne suggèrent pas d'anomalie de la transparence de l'univers aux rayons Ɣ vis à vis des modèles actuels du fond de lumière extragalactique. Des processus de second ordre affectant la propagation des rayons Ɣ de très haute énergie sont également explorés. Des limites sur une brisure de la symétrie de Lorentz à l'échelle de Planck sont obtenues à partir de l'analyse spectrale du noyau actif Mrk 501 observé dans un état de flux exceptionnel par H.E.S.S. en 2014, à grand angle zénithal. Enfin, des contraintes sur le champ magnétique extragalactique sont dérivées en considérant l'émission Ɣ secondaire attendue à partir de simulations des cascades électromagnétiques initiées lors du processus d'absorption pour le noyau actif distant PG 1553+113 vu par H.E.S.S. et le télescope spatial Fermi. Cette thèse a également été l'occasion d'une participation aux développements de certains aspects de la calibration et de l'analyse des données de H.E.S.S. / The propagation of very high energy Ɣ rays in the universe depends on the properties of the extragalactic medium. Such TeV-scale photons travelling cosmological distances are -emitted through particle acceleration mechanisms in active galaxy nuclei- can interact with the low-energy photons of the extragalactic background light (EBL) and produce electron-positron pairs. This effect reduces the transparency of the universe to very high energy Ɣ rays but it also provides a unique opportunity to probe the properties of the extragalactic medium. In this thesis, data taken with the H.E.S.S. array of Cherenkov telescopes are analyzed and used to characterize the transparency of the universe to very high energy Ɣ rays. A independent measurement of the spectral energy distribution of the EBL with H.E.S.S. is presented. It is obtained by extracting the EBL absorption signal from the fit of spectral modulations in the high-quality spectra of a sample of bright blazars in the redshift range 0.03 < z < 0.28. The intensity of the EBL obtained in different spectral bands is presented together with the associated Ɣ-ray horizon. The obtained results are consistent with lower limits derived from galaxy counts and do not suggest an anomaly of the transparency of the universe to Ɣ rays with respect to current models of the extragalactic background light. Second-order processes affecting the propagation of very high energy Ɣ rays in the universe are also considered. Limits on Lorentz invariance violation at Planck scale are obtained from the spectral analysis of the active galaxy nucleus Mrk 501 observed during a high-flux state by H.E.S.S. in 2014, at large zenith angle. Finally, constraints on the extragalactic magnetic field properties are derived by considering the secondary Ɣ-ray emission expected from the simulation of electromagnetic cascades initiated by the absorption process for the distant active galaxy nucleus PG 1553+113 seen by H.E.S.S. and the Fermi Ɣ-ray space telescope. In this thesis some developments related to the calibration and analysis of H.E.S.S. data are also presented.

L’expérience H.E.S.S. (High Energy Spectroscopic System) composée de cinq télescopes Tcherenkov observe le ciel en rayons gamma au-delà d'une centaine de GeV jusqu'à plusieurs dizaines de TeV. Les rayons gamma sont produits par des phénomènes non-thermiques parmi les plus violents dans l'univers au voisinage d'objets astrophysique comme les pulsars, supernovae ou trous noirs, mais pourraient être également produits par l'annihilation de particules de matière noire.De nombreuses sondes cosmologiques et astrophysiques suggèrent que 85% de la matière dans l'Univers est d'origine inconnue. Cette matière appelée matière noire, de nature non baryonique, serait constituée de particules non encore découvertes dont les candidats privilégiés seraient des particules massives interagissant faiblement (WIMPs) avec la matière ordinaire, particules prédites au-delà du Modèle Standard de la physique des particules.Des particules de matière noire peuvent s'annihiler en particules du Modèle Standard dans les régions denses de l'Univers. Parmi les produits d'annihilations se trouvent les photons dont la détection à hautes énergies par des télescopes au sol à effet Tcherenkov pourrait apporter des informations uniques sur la nature de la matière noire.H.E.S.S. observe des régions du ciel dense en matière noire comme le Centre Galactique et des galaxies naines satellites de la Voie Lactée.Une interprétation d'un excès de rayons gamma détecté au Centre Galactique par H.E.S.S. en termes d’accélération de protons par une population de pulsars millisecondes est présenté.10 ans d'observations du Centre Galactique avec le réseau H.E.S.S. I de quatre télescopes, cinq ans de prise de données vers la région du Centre Galactique avec le réseau complet H.E.S.S. II, et un jeu de deux ans de données vers des galaxies naines découvertes récemment sont analysés. Les recherches de signaux d'annihilation de matière noire vers ces cibles ont produit les limites plus fortes à présent sur la section efficace d'annihilation de matière noire dans la plage en masse du TeV. Le potentiel de détection de matière noire avec le futur réseau de télescopes CTA (Cherenkov Telescope Array) vers la région central du halo Galactique est étudiés. / The H.E.S.S. (High Energy Spectroscopic System) experiment is an array of five Cherenkov telescopes that observe the sky in gamma-rays from about 100 GeV up to several ten TeV.Gamma rays are produced in violent non-thermal phenomena in the Universe in the neighborhood of pulsars, supernovae, black holes, ..., and could also be produced by the annihilation of dark matter particles.Numerous cosmological and astrophysical probes suggest that 85% of the total matter budget in the Universe is of unknown origin. This component of matter known as dark matter is non baryonic and could consist of yet undiscovered particles which privileged candidates are arguably massive particles with electroweak couplings with ordinary matter (WIMPs).Dark matter particles may annihilate into Standard Model particles in dense regions of the Universe. Among the annihilation products are photons which detection at high energy with ground-based Cherenkov telescopes could bring unique information on the nature of the dark matter.H.E.S.S. observes dark-matter-dense regions of the sky such as the Galactic Center and dwarf galaxy satellites of the Milky Way. A study on the interpretation of an excess of gamma-rays detected by H.E.S.S. at the Galactic Center in terms of acceleration of protons by a population of unresolved millisecond pulsars is performed.10 years of observations of the Galactic Center with the four-telescope H.E.S.S.-I array, five years of data taking towards the Galactic Center region with the full H.E.S.S.-II array and a two-years dataset towards newly discovered dwarf spheroidal galaxies are analyzed. The search for dark matter annihilation signals towards these targets provided the strongest limits so far on dark matter annihilation cross section in gamma rays of TeV energies. The potential of dark matter detection with the upcoming Cherenkov Telescope Array (CTA) towards the inner Galactic halo are studied. They may annihilate into Standard Model particles in dense regions of the Universe. Among the annihilation products are high energy photons. The detection of these photons with ground-based Cherenkov telescopes may reveal the nature of the dark matter. H.E.S.S. have observed some dark-matter-dense regions of the sky likethe Galactic Center and dwarf galaxies satellites of the Milky Way. In this work 10 years of observations of the Galactic Center with the four-telescopes H.E.S.S.-I array, five years of data taking towards the Galactic Center region with the full H.E.S.S.-II array and a two-years dataset towards newly discovered dwarf spheroidal galaxies are analyzed. The searches for dark matter annihilation signals towards these targets produced the strongest limits so far on dark matter annihilation cross section in gamma rays of TeV energies.Perspectives of dark matter detection with the future array CTA (Cherenkov Telescope Array) towards the inner Galactic halo are also discussed. A study on the interpretation of an excess of gamma-rays detected by H.E.S.S. at the Galactic Center in terms of acceleration of protons by a population of unresolved millisecond pulsars complements the dark matter searches.

Dédié à l'étude du ciel en rayons gamma, le satellite Fermi comporte à son bord le Large Area Telescope (LAT), sensible au rayonnement gamma de 20 MeV à 300 GeV. Les données recueillies par le LAT depuis son lancement en 2008 ont permis de multiplier par 10 le nombre de noyaux actifs de galaxie (NAG) détectés dans le domaine du GeV. Les rayons gamma observés dans les NAGs proviennent de processus énergétiques faisant intervenir des particules chargées de très haute énergie. Ces particules sont confinées dans un jet de plasma magnétisé qui prend sa source dans une région proche du trou noir supermassif habitant la zone centrale de la galaxie hôte. Ce jet s’éloigne à des vitesses aussi élevées que 0.9999c, formant dans de nombreux cas des lobes radio sur des échelles du kiloparsec voire du mégaparsec. Les NAGs dont le jet fait un angle faible avec la ligne de visée sont appelés blazars. La combinaison de cette très faible inclinaison du jet par rapport à la ligne de visée et de vitesses d’éjection relativistes donne lieu à des effets relativistes : mouvements apparents superluminiques, amplification de la luminosité et modification des échelles de temps. Les blazars sont caractérisés par une extrême variabilité à toutes les longueurs d’onde, sur des échelles de temps allant de quelques minutes à plusieurs mois. Une étude temporelle et spectrale du plus brillant d'entre ceux détectés par le LAT, 3C 454.3, a été réalisée afin de contraindre les modèles d'émission. Une nouvelle méthode de génération de courbes de lumière à échantillonnage adaptatif est également proposée dans cette thèse. Celle-ci permet d'extraire le maximum d'information des données du LAT quel que soit l'état de flux de la source. / The Fermi Gamma-ray Space Telescope was launched on 2008 June 11, carrying the Large Area Telescope(LAT), sensitive to gamma-rays in the 20 MeV – 300 GeV energy range. The data collected since then allowed to multiply by a factor of 10 the number of Active Galactic Nuclei (AGN) detected in the GeV range. Gamma-rays observed in AGNs come from energetic precesses bringing into play very high energy charged particles. These particles are confined in a magnetized plasma jet rising in a region close to the supermassive black hole in the center of the host galaxy. This jet moves away with velocities as high as 0.9999c, forming in many cases radio lobes on kiloparsec or even megaparsec scales. Among the AGNs, those whose jet inclination angle to the line of sight is small are called blazars. The combination of this small inclination angle with relativistic ejection speeds leds to relativistic effects : apparent superluminal motions, amplification of the luminosity and modification of the time scales. Blazars are characterized by extreme variability at all wavelengths, on time scales from a few minutes to several months. A temporal and spectral study of the most luminous of those detected by the LAT, 3C 454.3, was done so as to constrain emission models. A new method for generating adaptive-binning lightcurves is also suggested in this thesis. It allows to extract the maximum of information from the LAT data whatever the flux state of the source.

Dédié à l’étude du ciel en rayons gamma, le satellite Fermi comporte à son bord le Large AreaTelescope (LAT), sensible au rayonnement de 20 MeV à plus de 300 GeV. Sa sensibilité et ses performances grandissantes apportent de plus en plus de contraintes sur les nébuleuses à vent de pulsar. Ces nébuleuses sont alimentées par l’injection permanente d’un vent d’électrons et de positrons relativistes accélérés par l’onde de choc délimitant la nébuleuse. Ces particules chargées rayonnent dans les différents domaines du spectre électromagnétique et notamment dans le domaine des rayons gamma à l’aide du processus de diffusion Compton inverse. Cette thèse présente l’étude morphologique et spectrale détaillée de deux sources potentiellement associées à des nébuleuses : MSH 11-62 et HESS J1857+026, afin de déterminer si l’émission gamma est produite par des nébuleuses de pulsar. Dans un deuxième temps, l’analyse de toutes les sources reliées à des contreparties détectées par les télescopes Cerenkov permet la détection de six nouvelles nébuleuses de pulsars et candidats dans la gamme de Fermi. Ceci permet d’apporter de nouvelles contraintes sur les propriétés physiques des nébuleuses de pulsar ainsi que sur les mécanismes d’émission à l’aide de modèles et d’études sur la population totale détectée par le LAT. / The Fermi Gamma-ray Space Telescope was launched on 2008 June 11, carrying the Large Area Telescope (LAT), sensitive to gamma-rays from 20 MeV to more than 300 GeV. Its constantly improving sensitivity and performance offer a new opportunity to understand the sources of the gamma-ray sky including Pulsar Wind Nebulae (PWNe). PWNe are powered by the constant injection of a relativistic wind of electrons and positrons from their central pulsars. These charged particles are accelerated at the shock front forming the PWN and emit photons which can be observed along the entire electromagnetic spectrum, including the highenergy gamma-ray domain via inverse Compton scattering.This thesis present the detailed analysis of two sources of gamma-ray emission potentially asso4021ciated to PWNe : MSH 11-62 and HESS J1857+026. The combination of the spatial and spectral analyses provide new elements to confirm these associations.In a second step, we describe a search for counterparts to sources detected by Cerenkov telescopes.This search led to the detection of six new LAT sources potentially associated with PWNe. These studies bring new insights and constraints on the physical properties of the sources as well as on emitting processes by constraining the models and allowing population studies.

Le système de télescopes H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) est une expérience d'Astronomie gamma constituée de quatre imageurs Tcherenkov atmosphériques destinés à observer le ciel gamma dans le domaine d'énergies supérieures à 100 GeV et s'étendant jusqu'à quelques dizaines de TeV.<br />Cette thèse présente une nouvelle méthode de reconstruction des gerbes électromagnétiques qui utilise l'ensemble de l'information fournie par la stéréoscopie et la haute définition des caméras de H.E.S.S.. Cette nouvelle méthode permet d'obtenir une résolution angulaire meilleure que le dixième de degré, une résolution en énergie de l'ordre de 15% au zénith, ainsi qu'un rejet hadronique très efficace à partir d'une coupure sur la largeur transverse de la gerbe reconstruite, et qui ne dépend d'aucune simulation.<br />Une nouvelle méthode de soustraction du fond hadronique adaptée à l'étude des sources étendues a aussi été mise en oeuvre. Cette méthode ne fait aucune hypothèse sur la distribution du fond hadronique ni sur le contenu en gamma de la région du ciel étudiée. Elle permet d'obtenir, par un maximum de vraisemblance, deux cartes globales: l'une pour la distribution des gamma dans le champ de vue, et l'autre pour la distribution des hadrons.<br />Ces deux nouvelles méthodes ont été appliquées à l'analyse des vestiges de supernovae RX J1713.7-3946 et RX J0852.0-4622 (Vela Junior), et ont permis de résoudre leur morphologie pour la première fois dans le domaine gamma. L'étude de ces sources a un objectif fondamental: permettre de savoir si les vestiges de supernovae sont bien des accélérateurs des rayons cosmiques, au moins jusqu'au domaine du genou (5*10^15 eV). Une étude morphologique et spectrale de ces sources conjointement à une comparaison avec un modèle simple des émissions gamma (à partir d'électrons ou de protons accélérés dans les vestiges de supernovae) a permis de contraindre les paramètres des modèles leptoniques. Toutefois, ce modèle n'a pu être exclu. Les différents résultats obtenus sont discutés et comparés au cas d'un troisième vestige de supernova à coquille observé par H.E.S.S. mais non détecté: SN 1006.

L'experience H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) est constiture de quatre imageurs Cherenkov atmospheriques dedies a l'observation de sources astrophysiques de l'hemisphere austral emettant des photons au-dela de 100 GeV. Cette these presente le fonctionnement de cet instrument ainsi que toute la chaine d'analyse associee. Les methodes d'etalonnage du systeme sont detaillees et les erreurs systematiques sur l'amplitude des images sont estimees. Ensuite, une methode d'analyse des donnees, basee sur un modele semi-analytique de developpement des gerbes electromagnetiques dans l'atmosphere, est expliquee. Des methodes de reconstruction du spectre en energie et de la morphologie des sources de gamma haute energie sont presentees puis appliquees a la Nebuleuse du Crabe. Les erreurs systematiques associees a l'analyse spectrale sont estimees. Cette chaine d'analyse est ensuite utilisee pour etudier l'emission du Centre Galactique au-dela de 100 GeV. Les differentes observations menees en 2003 et 2004 ont mis en evidence un signal dont l'origine n'est pas encore connue. Le spectre, la variabilite et la morphologie de la source sont etudies. De nombreux candidats sont proposes, en particulier le trou noir supermassif Sgr A* situe au centre dynamique de la Voie Lactee, le reste de supernova Sgr A Est ou des interactions de particules accelerees sur le milieu dense de cette region. Dans cette these, le signal est interprete comme provenant de l'annihilation de particules de matiere noire non baryonique (neutralinos ou bosons de Kaluza-Klein) dans un halo dense situe au Centre Galactique. Cette analyse indique que le signal ne provient pas exclusivement d'annihilation de matiere noire dans le cadre des modeles etudies, et que la composante dominante serait donc de nature astrophysique.

Le réseau d'imageurs Cherenkov atmosphériques HESS (High Energy Stereoscopic System) est présenté. La simulation des gerbes atmosphériques et de l'instrument est détaillée et comparée aux données obtenues pendant les six premiers mois de fonctionnement. Après la présentation des méthodes d'étalonnage et d'extraction du signal gamma, ces techniques sont appliquées aux données prises sur la nébuleuse du Crabe. On obtient un signal significatif permettant d'estimer un flux différentiel à 1 TeV en accord avec les résultats obtenus par d'autres expériences dans le même domaine en énergie. Ces résultats sont exploités pour estimer le potentiel de détection de HESS au signal gamma d'annihilation de neutralinos en provenance du centre galactique et de l'amas globulaire Omega du Centaure. Dans cette étude, une modélisation des halos de matière noire est confrontée aux observations astrophysiques.

Basée sur la reconversion de la centrale solaire THEMIS (Pyrénées Orientales françaises) en télescope pour l'astronomie gamma, CELESTE est la première expérience à explorer le spectre électromagnétique entre 10 GeV et 300 GeV et à relier ainsi le domaine des satellites à celui des imageurs au sol. Ce domaine d'énergie est particulièrement important pour les pulsars. En effet, aucun des six pulsars gamma haute énergie détectés par EGRET n'a été détecté au sol. Deux modèles théoriques visent à expliquer la cassure des spectres observée entre 1 et 100 GeV : calotte polaire et cavité externe. Ceux-ci diffèrent toutefois en plusieurs points et une détection dans ce domaine d'énergie permettrait d'éclaircir la situation. Cette thèse regroupe les premiers travaux dédiés à l'étude des pulsars avec CELESTE, et plus particulièrement deux candidats : le pulsar du Crabe et PSR B1951+32. La recherche d'un signal pulsé sous-entend une analyse quelque peu différente de celle développée pour les sources continues. Une première étape a donc consisté en l'adaptation à CELESTE de la procédure de datation spécifique. Dans une seconde étape, l'objectif de ce travail a été de développer une analyse spécifique préservant les basses énergies où est attendu un éventuel signal. Ainsi, en se basant sur les acquis des analyses précédentes et sur les caractéristiques des gerbes électromagnétiques et hadroniques en dessous de 50 GeV, des critères de réjection particuliers ont pu être établis et appliqués aux données. Les résultats résident essentiellement dans l'établissement de nouvelle limites supérieures sur l'énergie de coupure basse des deux pulsars observés. Bien qu'insuffisants pour contraindre les modèles théoriques, ceux-ci restent d'un intérêt certain pour la physique de ces objets ne serait ce que parce qu'ils constituent les premières mesures réalisées dans cette gamme d'énergie. Un excès a malgré tout été observé sur le Crabe mais avec une significativité insuffisante. Cette indication de modulation présentant les propriétés attendues, elle a été traduite en terme de flux dans l'hypothèse d'un signal pulsé, puis interprétée. Si de nouvelles observations venaient a confirmer cet excès, il s'agirait de la première détection autour de 30 GeV et le modèle Polar Cap se verrait alors sérieusement remis en cause.

Après un rappel des principaux enjeux de l'astronomie y des hautes énergies, l'imageur C.A.T. ("Cerenkov Array at Thémis") est présenté, l'accent étant mis sur les résultats récents de calibration, qui est un aspect particulièrement délicat des détecteurs à effet Tcherenkov atmosphérique: aucune calibration directe n'étant possible, la maîtrise du télescope doit passer par une confrontation constante des résultats obtenus sur la base de modélisations numériques et de données réelles, dont celles prises sur la source de référence qu'est la nébuleuse du Crabe. Au fil de leur présentation, les procédures d'extraction du signal gamma et de reconstruction de spectres sont ainsi testées et validées. Les résultats d'observation des blazars Markarian 501 et Markarian 421 sont ensuite exposés: une corrélation entre l'émission de rayons X (> keV) et de gamma au TeV est établie pour ces deux sources; au TeV, une rapide variabilité est observée, parfois à l'échelle de l'heure pour Markarian 421; Markarian 501 apparaît cependant plus extrême: son maximum de puissance est atteint vers 500 GeV, et un durcissement spectral est mis en évidence lors des sursauts les plus intenses. Tous ces résultats consolident la séquence spectrale récemment proposée pour unifier la classe des blazars; ils suggèrent une zone d'émission très compacte (N10-3 parsec), se propageant à vitesse relativiste à la base des jets radio de ces objets, et contenant une unique population d'électrons responsables de l'émission non thermique observée sur un large domaine de longueur d'onde. Un modèle de type Synchrotron Self-Compton est appliqué avec succès aux données prises sur Markarian 501 en Avril 1997. Enfin, la recherche de signal en provenance de 20 autres blazars candidats au TeV est entreprise, et aboutit à une limite supérieure à l'émission gamma de chacun d'eux.

Le système de télescopes H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) est une expérience constituée de quatre imageurs Cherenkov atmosphériques destinés à observer les rayons gamma de plus de 100 GeV et jusqu'à quelques dizaines de TeV. En 2012, une seconde phase de l'expérience consistera en l'ajout d'un cinquième télescope de 28 mètres de diamètre au centre du système existant. Au seuil de déclenchement de 15 GeV, les événements ne seront visibles que par ce grand télescope, une nouvelle méthode de reconstruction est proposée. A l'aide de plusieurs réseaux de neurones, l'énergie de gerbes électromagnétiques est bien reconstruite avec une discrimination du fond hadronique efficace à partir de 30 GeV. A basse énergie, la sensibilité totale permettra de détecter une source de quelques pourcent du Crabe en 50 heures. Cette méthode est testée sur les données de H.E.S.S. et s'avère compétitive ; une extension est présentée pour les événements stéréoscopiques. Les tests mis en place pour l'étalonnage des photomultiplicateurs sont présentés ainsi que les résultats obtenus. Un modèle de propagation de rayons cosmiques a été développé pour étudier l'émission du fond diffus gamma. Pour cela, il a fallu propager les protons et les noyaux hélium dans la galaxie et estimer le taux de pions neutres issus des interactions avec le milieu. La méthode de génération des cartes est décrite jusqu'à leur établissement. Dans le cas de H.E.S.S., j'ai estimé les sensibilités pour les comparer aux flux prédits par la modélisation. La galaxie naine sphéroïdale du Sagittaire a été étudiée comme source présumée de matière noire. Pour cela, les données ont été réparties en angles zénithaux similaires pour étudier l'effet du seuil de l'analyse dans les observations en utilisant les analyses les plus performantes de la collaboration H.E.S.S. Les sensibilités de détection ont été améliorées. Aucun excès d'événements notable n'a été observé.