Les plasmas peu denses, très énergétiques et magnétisés sont des milieux courants en astrophysique. Cette thèse est dédiée à l'étude de deux milieux spécifiques caractérisés par une géométrie de disque : le centre Galactique et la couronne des microquasars. Dans chacun des deux cas, les observations suggèrent l'existence d'un plasma extrêmement chaud (100 millions et 1 milliard de degrés) et ténu dont l'origine reste un mystère ; certains indices semblent également y montrer un champ magnétique assez fort, de structure dipolaire et principalement verticale baignant ce plasma. <br /><br />Au centre Galactique, la température du gaz considéré est telle que, s'il était collisionnel et composé principalement d'hydrogène, il devrait s'échapper, impliquant des besoins énergétiques excessifs pour les mécanismes de chauffage. Nous montrons cependant que les conditions peuvent naturellement mener à un plasma d'hélium, confiné par le potentiel Galactique. Dans cette situation plus raisonnable, nous étudions un processus possible de chauffage reposant sur la forte viscosité du gaz et la friction sur des nuages moléculaires froids en mouvement.<br /><br />La problématique des microquasars est très similaire, à la différence notable près que la couronne est probablement peu collisionnelle. Nous étudions dans ce régime un mécanisme de chauffage par pompage magnétique dans lequel la résonance entre le mouvement oscillant de certains ions de la couronne et une excitation périodique des lignes de champ magnétique par une instabilité du disque peut fournir de l'énergie à la couronne. Nous montrons en particulier que ce mécanisme est insuffisant à expliquer la température observée.

L’Univers est dominé par une composante invisible appelée Matière Noire (MN), de nature inconnue mais dont les effets gravitationnels sur la matière visible sont clairement observés. Il a été proposé que la MN soit constituée de particules massives et interagissant faiblement avec la matière, permettant ainsi de concilier théorie, observations et simulations. L’annihilation de ces particules dans les régions où la MN est fortement concentrée pourrait produire des rayons γ de très haute énergie dont les signatures spectrales peuvent être détectées par le réseau de télescopes H.E.S.S. Un excès à ~3σ est observé dans la direction de la Galaxie Naine du Sagittaire, avec la méthode standard d’analyse ON-OFF. Plus de données sont nécessaires pour conclure quant à son origine. La seconde partie du travail concerne la recherche de raies spectrales en γ dans la région du Centre Galactique. Une méthode de Maximum de Vraisemblance Complète a été développée, étalonnée et appliquée à une fraction d’un ensemble de 20h de données prises en 2014. Aucun excès de γ n’étant observé, des limites sur la section efficace d’annihilation de la MN sont produites pour des masses de 100 GeV à 2 TeV, la sensibilité de H.E.S.S. à basse énergie étant obtenue par l’ajout d’un 5ème télescope depuis 2012. Ces limites complètent efficacement les précédents résultats de Fermi-LAT et H.E.S.S. D’autre part l’analyse finale devrait permettre d’exclure un potentiel signal à 130 GeV observé dans les données de Fermi-LAT en 2012 et ce avec plus de 95% CL, et de proposer les limites les plus solides à ce jour sur les modèles d’émission de raies spectrales en γ dans le domaine d’énergie couvert par H.E.S.S. / The Universe is full of gravitational evidence of a dominant invisible Dark Matter (DM) component at the Galactic and cosmological scales. Although its nature is still one of the major puzzles of the 21st Century, Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) are an excellent scenario for matching theoretical predictions with observations and simulations. In particular, their self-annihilations would give rise to characteristic spectral signatures in γ-rays, detectable at Very High Energies (VHE) with the H.E.S.S. telescope array in regions such as the Galactic Centre (GC) and Dwarf Spheroidal Galaxies (dSphs). The standard ON-OFF analysis method is applied in the observation of the Sagittarius dSph where a ~3σ hotspot is observed above 300 GeV, although more statistics is required to conclude on its potential DM origin. The second part of the work is focused on the search for monochromatic γ-ray line signatures in the GC region. A Full Likelihood method has been developed, calibrated with Monte-Carlo simulations and applied to a sub-sample of a 20h dataset acquired in 2014. No excess signal is found, thus leading to limits on the DM annihilation cross-section down to a 100 GeV mass range, the sensitivity at the lowest energies being achieved by the 5th H.E.S.S. telescope added in 2012. These limits efficiently fill the gap in mass between results from Fermi-LAT and the first phase of H.E.S.S. On the other side the analysis of the complete dataset is expected to exclude the 130 GeV line-like feature recently reported in the Fermi-LAT data, with more than 95% CL, and to provide the most constraining DM limits so far on γ-ray line emission in the VHE range.

Sgr A*, le trou noir supermassif le plus proche de nous, émet une luminosité quiescente très faible ainsi que des éruptions en infrarouge proche (NIR), rayons X et radio. Cette thèse a pour but d'étudier l'effet du passage de DSO/G2 près de Sgr A* sur les éruptions. J'ai utilisé et amélioré trois méthodes pour l'étude en rayons X : les blocs Bayésiens en deux passes pour détecter les éruptions avec une certaine probabilité, le lissage des courbes de lumières pour diminuer le bruit de Poisson et la méthode de Monte Carlo par chaînes de Markov pour l'ajustement des spectres des éruptions. J'ai contraint les paramètres physiques de la source pour une des 3 éruptions détectées en rayons X en 2011 et pour 3 éruptions détectées en rayons X et NIR durant la campagne multi-longueurs d'onde de février-avril 2014. L'activité en rayons X et NIR de février-avril 2014 correspond à celle observée avant le passage de DSO/G2 près de Sgr A*. J'ai calculé le taux d'éruption intrinsèque en rayons X de Sgr A* en 1999-2015 et détecté une plus faible activité à partir du 28 octobre 2013. L'énergie stockée pendant cette période peut expliquer la plus forte activité observée du 30 août au 9 septembre 2014. / Sgr A*, the closest supermassive black hole, is an extremely low luminosity black hole emitting flares in near-infrared (NIR), X-rays and radio. The goal of this Ph.D. is to study the impact of the pericenter passage of the Dusty S-cluster Object DSO/G2 close to Sgr A* on the flaring activity. I used and improved three methods for the study in X-rays: the two-steps Bayesian blocks method to detect flares with a given false detection probability, the light curve smoothing to reduce the Poisson noise and the Monte Carlo Markov chains method for the fitting of the flare spectra. I constrained the physical parameters of the flaring region for one of the three X-ray flares detected in 2011 and for three NIR/X-ray flares detected during the 2014 Feb.-Apr. multiwavelength campaign. The X-ray and NIR activity during the 2014 Feb.-Apr. is not different from those observed before the DSO/G2 pericenter passage. I computed the intrinsic flaring rate in X-rays from Sgr A* in 1999-2015 and I detected a smaller flaring activity beginning on 2013 Oct. 28. The energy saved during this time period could explain the largest activity observed from 2014 Aug. 30 to Sept. 9.

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.

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.

Le LAT est l'instrument principal du satellite Fermi et permet d'étudier le ciel en rayons gamma de 20 MeV à plus de 300 GeV. Sa sensibilité accrue a permis l'augmentation du nombre de sources détectées dans le domaine des hautes énergies. Une partie importante de celles-ci n'a pas de contrepartie connue et une étude multi-longueur d'onde est nécessaire afin de comprendre l'origine du signal observé. Dans un premier temps, cette thèse présente l'étude morphologique et spectrale détaillée de la source non-identifiée HESS J1745--303, qui a été découverte dans le domaine gamma par l'expérience H.E.S.S. en 2006 puis analysée spécifiquement dans un article de 2008, à l'aide des données du LAT. Deux sources ponctuelles situées à une localisation proche de HESS J1745--303 sont présentes dans le catalogue à deux ans de données de Fermi (2FGL) mais une analyse dédiée de cette région est néanmoins nécessaire vu sa complexité. Elle est en effet localisée à ~1° du Centre Galactique et à moins de 0.5° du pulsar de la Souris, les deux sources les plus brillantes en gamma dans cette région. Les différents processus d'émission de photons sont présentés dans un second temps. Leurs simulations permettent d'effectuer une étude approfondie de l'origine de l'émission détectée aux hautes et très hautes énergies par le LAT et par H.E.S.S. L'émission de cette source reste en effet encore énigmatique de nos jours et une étude multi-longueur d'onde est effectuée afin de contraindre les modèles d'émission.

Le centre de la Galaxie abrite un trou noir supermassif, Sagittarius A*. Sa proximité en fait un laboratoire privilégié pour étudier les phénomènes d’accrétion à l’œuvre autour des trous noirs et contraindre le cycle d’activité de ces astres. Sgr A* est actuellement extrêmement peu lumineux et malgré des sursauts d’activité quotidiens sa luminosité demeure au moins huit ordres de grandeur en dessous de sa luminosité d’Eddington. Cet objet est ainsi l’un des trous noirs supermassifs connus les moins lumineux. Les mécanismes radiatifs à l’origine des variations quotidiennes observées ne sont pas clairement identifiés. Nous présentons les résultats d’une campagne d’observation multi-longueurs d’onde visant à mesurer le spectre de ces événements simultanément en rayons X et en infrarouge proche, à l’aide de l’observatoire XMM-Newton et de l’instrument VLT/NACO. Les données infrarouges obtenues grâce à la technique de spectro-imagerie en bande large ont permis d’étudier la variabilité du spectre de Sgr A* en infrarouge. Les incertitudes liées aux erreurs systématiques sont encore importantes mais les premiers tests réalisés semblent indiquer que l’indice spectral pourrait dépendre de la luminosité du trou noir. Sur des échelles de temps plus grandes, nous montrons également que Sgr A* n’a pas toujours été aussi peu actif. Des traces de son activité passée sont en effet visibles dans la matière moléculaire directement autour du trou noir, notamment sous la forme d’un rayonnement réfléchi visible dans la raie de fluorescence du fer à 6.4 keV. Nous avons réalisé une étude complète et systématique des variations de cette émission détectée dans la zone moléculaire centrale en utilisant les observatoires Chandra et XMM-Newton. Nos résultats confirment que Sgr A* a connu des sursauts intenses au cours des derniers siècles, au moins six ordre de grandeur en dessus de la luminosité actuelle. En particulier, nous avons mis en évidence, pour la première fois, la présence de deux événements transitoires distincts de relativement courte durée, probablement liés à des événements catastrophiques. Ces résultats constituent une première étape pour relier l’activité de ce trou noir spécifique aux autres noyaux de galaxie présents dans l’Univers. / Sagittarius A⋆ is the supermassive black hole at the Galactic center. Due to its proximity, this specimen is an excellent laboratory to study the accretion processes occurring around black holes and to constrain the duty cycle of these objects. Sgr A* is currently extremely faint and despite the detection of daily flares, its luminosity remains at least eight orders of magnitude below its Eddington luminosity, making this specimen one of the least luminous known supermassive black holes. The radiative processes responsible for the daily variations of its luminosity have not been clearly identified yet. We present the results of a multi-wavelength campaign observing Sgr A* simultaneously in X-rays and in the near-infrared, using the XMM-Newton observatory and the VLT/NACO instrument. We studied the spectral variability of Sgr A* using the infrared data we obtained through a spectro-imaging technique. Uncertainties linked to the systematic errors are still large but the first tests applied seem to show that the spectral index of Sgr A* could depend on the black hole luminosity. On longer timescales, we demonstrate that Sgr A* experienced a higher level of activity in the recent past. Indeed, echoes of its past activity can be detected in the molecular material surrounding the black hole. They are traced by a strong signal in the iron fluorescence line at 6.4 keV. We achieved a complete and systematic study of this variable emission detected from the central molecular zone, using Chandra and XMM-Newton observatories. Our results confirm that Sgr A* experienced intense flares in the past few centuries, with a luminosity at least six orders of magnitude higher than its current one. In particular, we highlight for the first time the existence of two distinct transient events of relatively short duration, which are probably due to catastrophic events. These results are the first step needed to include Sgr A*’s activity into a broader understanding of the galactic nuclei.

Mon activité de recherche en astrophysique entre les années 1990 et 2005 et celle des étudiants et chercheurs que j'ai encadrés, ont été centrées principalement sur l'étude des trous noirs galactiques accrétants par le moyen d'observations astronomiques de leur émission de haute énergie (X et gamma). Ce travail a été réalisé dans le cadre de projets d'astronomie spatiale dans lesquels mon laboratoire était impliqué et notamment dans les deux projets clefs de l'astronomie gamma européenne des années 1990 et 2000, la mission franco-russe SIGMA/GRANAT et celle de l'Agence Spatiale Européenne INTEGRAL. Mon rôle dans ces missions a été de développer les systèmes d'analyse des données et je me suis spécialisé dans les techniques d'analyse pour les systèmes à ouvertures codées, systèmes employés dans les télescopes des ces missions. Après avoir illustré mes contributions originales dans ce domaine, je décris dans ce mémoire les programmes scientifiques que j'ai développés et les résultats que j'ai obtenus sur les deux thèmes d'astrophysique des trous noirs auxquels j'ai contribué en manière significative. <br />Tout d'abord, grâce aux données gamma récoltées avec SIGMA et INTEGRAL, j'ai pu réaliser un programme d'études sur les systèmes binaires serrées, où un trou noir de masse stellaire accréte de la matière de l'étoile compagnon donnant lieu à de l'émission X/gamma. Le <br />résultat majeur de ce travail a été la découverte d'une structure spectrale d'émission de haute énergie dans la nova X de la constellation de la Mouche. Je décris aussi plusieurs autres résultats obtenus grâce aux données gamma, couplés à des données X d'autres observatoires, sur 13 sources transitoires (novas X) et 3 sources persistantes à trou noir que j'ai pu étudier dans la gamme entre 1 et 1000 keV.<br />J'ai aussi développé un vaste programme scientifique concernant l'étude de l'émission de haute énergie du trou noir supermassif du centre de la Galaxie. Grâce au balayage profond effectué avec SIGMA j'ai d'abord établi des limites supérieures contraignantes à l'émission gamma de cet objet. Ce résultat a conduit au développement de nouveaux modèles décrivant les processus d'accrétion dans les trous noirs. Ensuite, j'ai découvert des sursauts X en provenance du trou noir <br />central avec des données de l'observatoire XMM-Newton et plus récemment une source INTEGRAL qui coïncide avec le centre de la Galaxie. Je discute ces résultats dans le cadre de la physique du centre galactique et des processus d'accrétion et éjection dans les trous noirs.<br />Je présente enfin mon programme de recherche pour les années à venir, qui voit en première ligne mon implication dans un projet d'astronomie spatiale des hautes énergies, SIMBOL-X. Ce projet prévoie, par le moyen de deux satellites en formation, d'étendre la technique de focalisation par incidence rasante aux rayons X durs afin d'étudier les phénomènes non thermiques de notre univers.

Ce manuscrit rassemble une série de travaux observationnels et phénoménologiques relatifs à des objets compacts variables du centre de notre Galaxie, à savoir le trou noir supermassif central, Sagittarius A*, et des étoiles à neutrons hébergées par des sursauteurs X. La première partie traite de la source Sgr A*, sujette à des éruptions quotidiennes, dont les mécanismes déclencheurs et les processus de rayonnement sont encore inconnus. Cette activité éruptive a été sondée par l'intermédiaire de plusieurs vastes campagnes d'observations multi-longueurs d'onde (en rayons gamma, rayons X, infrarouge et submillimétrique) étalées entre 2007 et 2009. Des données recueillies simultanément par les instruments XMM-Newton/EPIC, INTEGRAL/ISGRI+JEM-X, Fermi/LAT, VLT/NACO+VISIR et APEX/LABOCA, lors de plusieurs nouvelles éruptions majeures, ont ainsi permis de caractériser en détail le comportement spectro-temporelle de ces dernières et de contraindre les modèles d'émissions non-thermiques du milieu radiatif (synchrotron, Compton inverse, plasmoïde en expansion). Dans un second temps, une vingtaine de sursauts X de type I en provenance de deux binaires X de faible masse, transitoires, du noyau Galactique, GRS 1741.9-2853 et AX J1745.6-2901, ont été examinés à travers les données de différents satellites X de basse énergie (2-30 keV). Ces observations ont été discutées dans le cadre théorique, relativement bien établi, d'explosions thermonucléaires d'un mélange hydrogène-hélium, amassé à la surface d'étoiles à neutrons accrétantes.