Les amas globulaires contiennent deux classes de sources X se différenciant par leur luminosité. Tout d'abord, les sources X brillantes (Lx>10^36 ergs/s), qui sont des binaires X de faible masse identiques à celles contenues dans le disque galactique. La seconde classe regroupe les objets de luminosité X faible (LX<10^34.5 ergs/s). Elle est composée d‟objets de natures diverses, principalement des systèmes binaires où l'accrétion de matière sur l'un des deux composants (une étoile à neutrons, une naine blanche) est responsable de l'émission X observée. Déterminer la population de sources X des amas globulaires permet donc d'étudier les mécanismes de formation des systèmes binaires, lesquels jouent un rôle fondamental dans l'évolution des amas globulaires en assurant leur équilibre dynamique. Cette thèse est centrée sur l'étude des populations X de 4 amas globulaires observés avec les satellites XMM-Newton ou Chandra : Omega Cen, M13, M22 et NGC 6366. Notre échantillon nous a permis d‟étudier les populations de sources X faibles et de tester les scénarii de formation des binaires en fonction de divers paramètres comme la masse, la taille et la densité stellaire de l‟amas. Nous avons associé des sources X faibles à chaque amas (respectivement 30, 5, 2 et 1). Ces sources se trouvent dans le coeur des amas. Nous avons également détecté un excès significatif de sources dans les régions externes d‟Omega Cen. Nous avons enfin découvert une binaire X de faible masse avec une étoile à neutrons dans M13 (sa contrepartie a été recherchée dans les données du télescope spatial Hubble). Nous montrons que le nombre de binaires X de faible masse avec une étoile à neutrons contenues dans un amas est corrélé avec le taux de collision stellaire. Ceci pourrait indiquer que ces binaires sont formées par la capture gravitationnelle par une étoile à neutrons d‟un autre astre dans le coeur des amas. Nous avons également étudié les mécanismes de formation des autres catégories de binaires.

L'astronomie des rayons g de haute (E > 100MeV, HE) et de très haute énergie (E 100GeV, VHE) ont effectué des progrès considérables en moins d'une décennie. Le nombre de sources émettrices dans ce régime d'énergie a augmenté de plus d'un ordre de grandeur, de nouvelles classes d'émetteurs ont été découvertes et des nouvelles sous-classes ont été établies basées sur l'émission gamma, et les sources connues sont à présent résolues à des échelles spatiales ou temporelles sans précédent révélant de nouvelles propriétés. Les noyaux actifs de galaxie (AGN) sont l'une des classes d'émetteurs les plus énergétiques, dont le pic de puissance émis dans le spectre électromagnétique peut dans certains cas dépasser la capacité de mesure des instruments actuels, et dont l'investigation requiert la maîtrise simultanée du ciel g HE et VHE qu'apportent les expériences Cerenkov au sol (atmospheric Cerenkov telescope, ou ACT) et le satellite Fermi.

L’expérience JEM-EUSO (traduction de Observatoire spatial de l’univers extrême à bord du module de l'expérience japonaise) est conçu pour observer les UHECR en détectant la lumière fluorescente UV émise par la gerbe qui se développe lorsque les UHECR interagissent avec l'atmosphère terrestre. Les gerbes atmosphériques sont constituées de dizaines de milliards de particules secondaires ou plus traversant l'atmosphère quasiment à la vitesse de la lumière, excitant les molécules d'azote qui émettent ensuite de la lumière dans la gamme UV. Alors que cette « technique de fluorescence » est habituellement utilisée au sol, en opérant ainsi à partir de l'espace, JEM-EUSO, pour la première fois, fournira des statistiques élevées sur ces événements. Avec un large champ de vue de ± 30 °, JEM-EUSO pourra observer depuis l’espace un volume d'atmosphère beaucoup plus grand que ce qui est possible du sol, en collectant un nombre sans précédent d'événements UHECR aux plus hautes énergies.Pour les quatre prototypes d’expériences construites par la collaboration, nous avons développé un ensemble commun d'électronique, en particulier le système central d'acquisition de données capable de fonctionner au sol, sur des ballons à haute altitude et dans l'espace.Ces expériences utilisent toutes un détecteur composé d'un module de détection de photo (PDM) identique aux 137 qui seront présents sur la surface focale JEM-EUSO. La lumière UV générée par les gerbes atmosphériques à haute énergie passe le filtre UV et frappe les tubes à photomultiplicateurs multi-anodes (MAPMT). Les photons UV sont alors transformés en électrons, qui sont multipliés par les MAPMT et le courant qu’ils créent est amplifié par des cartes ASIC de circuit intégré (EC-ASIC), qui effectuent également le comptage des photons et l'estimation de charge. Une carte FPGA nommé PDM board s'interface avec ces cartes ASIC, fournissant des paramètres d'alimentation et de configuration à ces cartes ASIC, collecte alors les données et exécute le déclenchement d’acquisition de niveau 1.Dans le cadre de ces travaux, je me suis occupée de la conception, du développement, de l'intégration et du test la carte FPGA PDM board pour les missions EUSO-TA et EUSO-Balloon ainsi que des tests d'algorithme de déclenchement autonomes d’acquisitions et j'ai également analysé les données de vol d’EUSO-Balloon et de la campagne sol EUSO-TA d’octobre 2015.Dans cette thèse, je donnerai un bref aperçu des rayons cosmiques à haute énergie, y compris de leur technique de détection et des principales expériences pour les détecter (chapitre 1), je décrirai JEM-EUSO et ses pathfinders (chapitre 2), je présenterai les détails de la conception et de la fabrication du PDM (chapitre 3) et de la carte FPGA PDM board (chapitre 4), ainsi que des tests d'intégration d’EUSO-TA et d’EUSO-Balloon (chapitre 5). Je ferai un rapport sur la campagne EUSO-Balloon de 2014 (chapitre 6) et sur ses résultats (chapitre 7), y compris une analyse spécifique développée pour rechercher des variations globales de l'émissivité UV au sol et j’appliquerai une analyse similaire aux données collectées sur le site de Telescope Array (Chapitre 8). Enfin, je présenterai la mise en œuvre et le test du déclencheur de premier niveau (L1) dans la carte de contrôle FPGA (chapitre 9). Un bref résumé de la thèse sera donné au chapitre 10. / The JEM-EUSO (Extreme Universe Space Observatory on-board the Japanese Experiment Module) international space mission is designed to observe UHECRs by detecting the UV fluorescence light emitted by the so-called Extensive Air Shower (EAS) which develop when UHECRs interact with the Earth’s atmosphere. The showers consist of tens of billions or more secondary particles crossing the atmosphere at nearly the speed of light, which excite nitrogen molecules which then emit light in the UV range. While this so-called “fluorescence technique'” is routinely used from the ground, by operating from space, JEM-EUSO will, for the first time, provide high-statistics on these events. Operating from space, with a large Field-of-View of ±30 °, allows JEM-EUSO to observe a much larger volume of atmosphere, than possible from the ground, collecting an unprecedented number of UHECR events at the highest energies.For the four pathfinder experiments built within the collaboration, we have been developing a common set of electronics, in particular the central data acquisition system, capable of operating from the ground, high altitude balloons, and space.These pathfinder experiments all use a detector consisting of one Photo-detection Modules (PDMs) identical to the 137 that will be present on the JEM-EUSO focal surface. UV light generated by high-energy particle air showers passes the UV filter and impacts the Multi-anode Photomultiplier Tubes (MAPMT). Here UV photons are converted into electrons, which are multiplied by the MAPMTs and fed into Elementary Cell Application-Specific Integrated Circuit (EC-ASIC) boards, which perform the photon counting and charge estimation. The PDM control board interfaces with these ASIC boards, providing power and configuration parameters, collecting data and performing the level 1 trigger. I was in charge of designing, developing, integrating, and testing the PDM control board for the EUSO-TA and EUSO-Balloon missions as well as the autonomous trigger algorithm testing and I also performed some analysis of the EUSO-Balloon flight data and data from the EUSO-TA October 2015 run.In this thesis, I will give a short overview of high-energy cosmic rays, including their detection technique and the leading experiments (Chapter 1), describe JEM-EUSO and its pathfinders including a description of each instrument (Chapter 2), present the details of the design and the fabrication of the PDM (Chapter 3) and PDM control board (Chapter 4), as well as the EUSO-TA and EUSO-Balloon integration tests (Chapter 5). I will report on the EUSO-Balloon campaign (Chapter 6) and results (Chapter 7), including a specific analysis developed to search for global variations of the ground UV emissivity, and apply a similar analysis to data collected at the site of Telescope Array (Chapter 8). Finally, I will present the implementation and testing of the first-level trigger (L1) within the FPGA of the PDM control board (Chapter 9). A short summary of the thesis will be given in Chapter 10.

La collection de micrométéorites des Monts Transantarctiques comporte des micrométéorites accumulées pendant plusieurs centaines de milliers d'années, dont un nombre exceptionnel de particules de diamètre >400 μm, qui nous ont permis de démontrer que leur distribution en taille reste la même sur la gamme 100–1600 μm, ainsi que d'en effectuer une caractérisation magnétique et isotopique : la magnétite qu'elles contiennent en abondance est formée lors de l'entrée atmosphérique, elle enregistre une aimantation thermorémanente – lors du refroidissement dans le champ terrestre – qui peut être suffisante pour causer des anomalies dans l'enregistrement paléomagnétique des sédiments dans lesquels les micrométéorites se déposent ; les rapports isotopiques de l'oxygène indiquent, contrairement au dogme actuel, qu'une partie des micrométéorites est apparentée aux chondrites ordinaires ou à des corps parents encore inconnus, et non aux seules chondrites carbonées.

Le champ magnétique est un ingrédient physique parmi les plus communs dans les environnements astrophysiques. Bien qu'il ait été étudié depuis de nombreuses décennies, certains de ses domaines d'application sont encore mystérieux, en particulier celui qui est associé à la turbulence magnétique. Ce phénomène apparaît dans des problèmes encore non résolus à ce jour. Le sujet de cette thèse porte sur l'étude de cette turbulence dans les disques d'accrétion magnétisés et képlériens lançant des jets, ainsi que sur ses effets sur le transport des rayons cosmiques. La première partie de cette thèse montre que les disques d'accrétion magnétisés képlériens soumis à une turbulence magnétohydrodynamique (MHD) peuvent être le siège d'une production stationnaire de jets MHD de matière sous certaines conditions. L'ajout des effets dus à la viscosité du plasma ainsi que l'implémentation d'une équation d'énergie modélisant une couronne chauffante sont les points clés de cette première partie. J'ai en particulier montré à la fois analytiquement et numériquement que le rapport entre couple de freinage magnétique et visqueux était contraint par les propriétés de la turbulence MHD. J'ai aussi montré que la prise en compte plus fine de l'équation d'énergie était nécessaire pour une description plus fidèle des jets observés dans l'Univers. Cette équation fait intervenir nombres de processus de chauffages et de transport d'énergie dont la prise en compte dans l'approximation fluide n'est pas possible. J'insiste, dans cette première partie, sur la necessité d'une approche cinétique de ces phénomènes afin de pouvoir mieux les décrire macroscopiquement. C'est cette étude qui a motivé la suite de ma thèse. Afin de mieux connaître les influences de la turbulence magnétique sur le transport de particules chargées, j'ai entrepris une étude sur la diffusion spatiale et angulaire des hadrons avec un champ magnétique chaotique dont la distribution spectrale en loi de puissance peut être reliée à celle qu'engendrerait une turbulence de type Kolmogorov ou Kraichnan. Les résultats de cette étude ont permis d'obtenir des réponses nouvelles sur des régimes de diffusion dans des domaines de turbulence encore jamais étudiés. En particulier, j'ai montré que les coefficients de diffusion spatiale parallèle au champ magnétique à grande échelle ainsi que le coefficient de diffusion angulaire suivaient un comportement dans le domaine de résonance extrapolant celui prédit par la théorie quasi-linéaire dans le cas de la très faible turbulence. A l'opposé, le coefficient de diffusion perpendiculaire suit un comportement, dans ce même domaine, non prédit par la théorie quasi-linéaire. Ce régime est assimilable à un régime de diffusion anormale amplifiée par la présence de chaos magnétique. De plus, en dehors du domaine de résonance avec le chaos, les comportements de tous ces coefficents sont différents de ceux attendus. Enfin, l'existence d'un régime de diffusion de Bohm n'a pas été démontrée quelque soit le niveau de chaos magnetique

Du fait de leur faible flux, l'existence des rayons cosmiques d'ultra haute énergie (RCUHE, E>$10^(18)$\,\textrm(eV)) est une énigme depuis plus d'un demi siècle. On ne connaît en effet ni leur origine, ni leur nature, ni même l'énergie maximale qu'ils peuvent atteindre. Pour obtenir une statistique suffisante et répondre à ces questions, l'Observatoire Pierre AUGER est actuellement en construction en Argentine et sera à terme complété par un deuxième détecteur au Colorado afin de scruter le ciel de l'hémisphère nord. L'origine et la nature des RCUHE étant liées, l'identification du primaire est une étape cruciale pour valider, réfuter ou contraindre les nombreux modèles théoriques capables d'expliquer leur production. En particulier, la présence de photons ou de neutrinos peut être la signature de modèles impliquant de la nouvelle physique (défauts topologiques, particules supermassives...). Le travail de cette thèse s'insère donc dans ce cadre en cherchant à identifier la nature des RCUHE observés par l'observatoire depuis le mois de janvier 2004. Après avoir récapitulé les résultats des expériences précédentes et présenté les méthodes de détection, ce manuscrit décrit les modèles théoriques en soulignant le type de particules de haute énergie qu'ils peuvent produire. La partie suivante traite des différentes méthodes utilisées par l'observatoire pour permettre l'identification du primaire par la gerbe qu'il crée dans l'atmosphère. Divers critères sont finalement testés sur des simulations puis utilisés dans une analyse qui a permis d'estimer la composition hadronique et de chercher la présence de photons parmi les RCUHE.

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.

Les rayons cosmiques d'ultra-haute énergie forment un sujet d'astroparticules très actif car nos connaissances dans ce domaine sont encore loin d'être complètes. Par exemple, ni la nature ni les sources de ces particules ne sont clairement identi- fiées. Le seul fait expérimental bien établi à ce jour est l'existence d'une coupure dans le flux en énergie, autour de 4 × 1019 eV, en bon accord avec la coupure prédite par Greisen-Zatsepin-Kuzmin, comme conséquence de l'interaction des rayons cosmiques avec le rayonnement de fond cosmologique, aux énergies les plus hautes. Concernant les sources, seule une statistique accrue peut éventuellement résoudre l'énigme et il faudra probablement attendre une prochaine génération d'expériences, proposant une surface de collection encore plus grande que celles actuellement en cours d'acquisition, comme l'Observatoire Pierre Auger ou Telescope Array. Avant d'augmenter la statis- tique, une bonne connaissance à la fois de l'énergie du rayon cosmique et de sa nature aidera à comprendre les mécanismes opérant à leurs sources. Concernant l'identification de la nature du rayon cosmique, des améliorations des détecteurs actuels sont en cours ou envisagées. Elles devraient permettre de mesurer certaines composantes spécifiques des gerbes atmosphériques comme par exemple la contribution électromagnétique, via le champ électrique émis par les électrons et positrons secondaires. Je présente dans cette HDR une revue des résultats actuels concernant le thème des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie. Après avoir présenté quelques résultats sur le mécanisme de Fermi pour accélérer les rayons cosmiques, j'aborde en particulier la re- construction des gerbes atmosphériques détectées par le réseau de surface de l'Observa- toire Pierre Auger ainsi que la recherche des sources, basée sur la connaissance fine de la couverture du ciel, impliquant une maîtrise des performances du détecteur. Je traite également en détails le signal radio émis par les électrons et positrons secondaires des gerbes, dans le domaine du MHz. Ce signal est étudié depuis le milieu des années 1960 mais la technologie n'en permet une exploitation complète que depuis les années 2000. Je propose un état des lieux de nos connaissances à travers les résultats des expériences actuelles 1 dans ce domaine. Les données montrent que le champ électrique est princi- palement dû à l'influence du champ magnétique terrestre agissant sur les électrons et positrons mais plus récemment, la contribution due à l'excès l'électrons semble appa- raître dans les données. Enfin, je présente nos dernières avancées dans le domaine de la simulation du champ électrique, avec notamment la prédiction d'un signal nouveau, produit par la disparition de la gerbe atmosphérique lors de son absorption dans le sol.

AMS02 est un détecteur de physique des particules destiné à 3 ans de prise de données sur la Station Spatiale Internationale. Il permettra de mesurer simultanément les flux de rayons cosmiques chargés et de photons entre 1 GeV et 1 TeV, avec une grande capacité d'identification. Les performances de ce spectromètre se fondent sur la redondance des mesures de sous-détecteurs spécifiques: un compteur de temps de vol, un détecteur à rayonnement de transition, un trajectographe au Silicium entouré d'un aimant supra-conducteur, un compteur Cerenkov et un calorimètre électromagnétique (Ecal).<br /><br />Le Ecal fait l'objet d'études détaillées, avec la qualification d'un système autonome de déclenchement de l'acquisition dédié à l'astronomie gamma. Il permet d'augmenter la sensibilité aux photons et d'améliorer la reconstruction des événements électromagnétiques. La partie analogique du système de déclenchement a été testée sur banc et lors de deux tests en faisceau du Ecal au CERN. La calibration en vol du calorimètre avec des rayons cosmiques est étudiée, elle comprend deux volets : l'inter-calibration des canaux avec des protons au minimum d'ionisation et un étalonnage absolu avec des électrons. Dans les deux cas, de possibles procédures sont présentées, et les temps nécessaires à la calibration en vol sont calculés pour démontrer sa faisabilité.<br /><br />Une partie de cette thèse traite de la recherche indirecte de matière noire et de la sensibilité d'AMS02. Comptant pour 84% de la masse de l'Univers, la matière noire pourrait consister en de nouvelles particules. Agglomérées dans notre Galaxie, elles pourraient s'annihiler par paires et constituer une source exotique de rayons cosmiques primaires. La recherche d'excès dans les flux d'antiparticules (antiprotons, positons, antideutérons) et de rayons gamma semble la plus prometteuse. Un outil de calcul numérique est développé pour la prédiction des flux exotiques dans le cadre de la supersymétrie et de modèles à dimensions supplémentaires. Des études phénoménologiques concernant l'amplification du signal en présence de zones à haute densité de matière noire sont menées. Le cas particulier de la concentration de particules de matière noire dans le voisinage de trous noirs de masse intermédiaire est envisagé et fait l'objet de prédictions quantitatives. Enfin, les outils développés sont utilisés pour estimer la sensibilité d'AMS02, en particulier pour quantifier sa capacité à reconstruire l'état final d'annihilation en combinant les canaux, et ainsi remonter au modèle de nouvelle physique.

EUSO est un projet de détection spatiale des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie. Son principe consiste à observer les photons de fluorescence émis par les gerbes atmosphériques depuis un télescope embarqué à bord de la Station Spatiale Internationale.<br />Au cours de cette thèse, un logiciel de simulation a été développé pour étudier les caractéristiques de ce nouveau concept de détection. Il modélise les différentes étapes de la détection : développement des gerbes atmosphériques, génération des photons de fluorescence et Cerenkov, et transfert des photons jusqu'à la lentille du télescope. Il inclut notamment un algorithme Monte-Carlo de propagation des photons dans l'atmosphère, traitant la diffusion multiple en conditions de ciel clair ainsi qu'en présence de nuages et d'aérosols.<br />Avec ce programme de simulation, l'impact des conditions atmosphériques sur les performances d'un détecteur spatial a été étudié. La modélisation précise de la propagation des photons dans l'atmosphère a permis de quantifier la contribution des photons diffusés au signal détecté.