High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) est un réseau de cinq télescopes à imagerie Cherenkov atmosphérique, localisé dans l’hémisphère sud, ayant pour but principal l’étude de rayons cosmiques couvrant une gamme d’énergie de 30 GeV à plusieurs dizaines de TeV. La technique de détection Cerenkov ainsi que les spécificités de la méthode de reconstruction employée par H.E.S.S. I (première phase de l’expérience H.E.S.S.), sont décrites dans cette thèse. Après plus de dix ans d’activité, l’expérience H.E.S.S. a enregistré une quantité de données importante. En plus des régions d’intérêts sondées par ces détecteurs, où des sources astrophysiques ont déjà été dévoilées, l’étude d’événements collectés permet d’améliorer la compréhension de leur environnement sous-jacent. En effet, des émissions diffuses encore non-comprises se superposent aux rayonnements provenant de sources actives. Elles sont pourtant d’un intérêt significatif en astrophysique, physique des particules, cosmologie et même dans certains domaines de physique au-delà des modèles standards, tel que la recherche de matière noire. Les émissions diffuses et leurs précédentes études sont présentées dans cette thèse, ainsi que leurs possibles origines, depuis les mécanismes d’accélération de rayons cosmiques jusqu’à la production de rayon gamma dans les sources actives ou encore par des processus secondaires impliquant les interactions de rayons cosmiques avec le milieu interstellaire. Dans ce travail, des outils pour étudier les émissions diffuses ont été développés. L’approche choisie permet de distinguer les différentes composantes dans les données étudiées et extraire une estimation de leur poids dans le spectre. Elle prend en compte deux aspects, expliqués séparément dans cette thèse. Dans un premier temps, la morphologie de la source active présente dans le champ de vue est utilisée pour la modéliser et obtenir son spectre. Ensuite, pour distinguer les différentes contributions du fond, la méthode se base sur des fonctions de densité de probabilité construites à partir de variables discriminantes. L’étude et manipulation préliminaires nécessaires des variables discriminantes sont également détaillées. Des sources astrophysiques connues sont utilisées comme référence pour l’analyse. Les spectres résultants pour la source active, les électrons et hadrons diffus sont présentés et discutés, ainsi qu’une limite supérieure sur le flux de l’émission diffuse gamma extragalactique. Les erreurs systématiques associées ont été estimées. Une technique de "unfolding" a été mise en place et utilisée pour vérifier les résultats pour les émissions diffuses. / The High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) is an array of five Imaging Atmospheric \v{C}erenkov Telescopes (IACT) located in the Southern Hemisphere, whose primary goal is the study of cosmic gamma-rays in the 30 GeV - few tens of TeV energy range. The detection technique used by IACT as well as the specificities of the reconstruction method of H.E.S.S. I (first phase of the H.E.S.S. experiment) are fully described in this thesis. After more than ten years of activity the H.E.S.S. experiment has registered a large amount of data. In addition to the regions of interest that its detectors probe and where astrophysical sources were unveiled, many events collected provide useful information on their surrounding environment. Indeed, acting as a background to the active sources, one can find the diffuse emissions, which are not well understood and yet are of significant interest for astrophysics, particle physics, cosmology and even physics beyond standard models, such as the search for dark matter. The diffuse emissions and their previous studies are presented in this thesis, as well as their possible origin, starting from the acceleration of cosmic-rays mechanism and the gamma-ray production in the active sources or from secondary process involving cosmic-rays interactions in the interstellar medium.In this work, tools to investigate the diffuse emissions were developed. The approach aims at disentangling the different components of the studied data so as to extract an estimation of their weight in the spectrum. It takes into account two aspects, explained separately in this thesis. On the one hand, the morphology of the active source in the studied field of view is used to modelize it and obtain its spectrum. Then, to disentangle the different contributions in the background, the method is based on probability density functions (PDF) built with discriminant variables. The necessary preliminary study and manipulation of the discriminant variables is also detailed. Well known astrophysical sources are used as benchmarks for the analysis. The resulting spectra for the active source, diffuse electrons and hadrons are presented and discussed, in addition to an upper limit on the extragalactic diffuse gamma-ray emission flux. The associated systematic errors were estimated.

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.

Des modèles de Gravité Quantique (QG) prédisent une violation de l'invariance de Lorentz (LIV), se manifestant par une dispersion de la lumière dans le vide. Si un tel effet existe, des photons d'énergies différentes émis en même temps par une source distante sont détectés sur Terre à des moments différents. Les émissions transitoires à (très) hautes énergies provenant de sources astrophysiques lointaines, comme les sursauts gamma (GRBs) et les blazars sont utilisées pour contraindre cet effet LIV. Cet ouvrage présente les études menées avec deux télescopes gamma majeurs : H.E.S.S. -- pour lequel une étude de la qualité des données étalonnées a été réalisée -- et Fermi-LAT. Les énergies et les temps d'arrivée de photons individuels ont été utilisés pour contraindre le paramètre de dispersion dans le vide ainsi que l'échelle d'énergie E_QG à laquelle des effets LIV peuvent apparaitre. La méthode de maximum de vraisemblance est décrite, avec une étude détaillée des systématiques. Une modification dans le cas de fond non négligeable est appliquée aux données de l'éruption d'un blazar observé par H.E.S.S. : les limites obtenues sur E_QG sont moins contraignantes que les meilleures limites précédentes, mais elles se trouvent à un redshift non couvert à ce jour. Quatre GRBs observés par Fermi-LAT ont aussi été analysés, en déterminant la courbe de lumière de deux manières : ajustements gaussiens et estimation par densité de noyaux. Les meilleures limites sur E_QG pour le cas linéaire/subluminal sont obtenus avec GRB090510 : E_QG,1 > 7,6 E_Planck. Des limites plus robustes, tenant compte des effets intrinsèques à la source, ont également été produites. / Some Quantum Gravity (QG) theories allow for a violation of Lorentz invariance (LIV), manifesting as a dependence on the velocity of light in vacuum on its energy. If such a dependence exists, then photons of different energies emitted together by a distant source will arrive at the Earth at different times. (Very) high energy transient emissions from distant astrophysical sources such as Gamma-ray Bursts (GRBs) and blazars can be used to search for and constrain LIV. This work presents the studies obtained with two leading Gamma-ray telescopes: H.E.S.S. -- for which a study of the quality of the calibrated data was performed -- and Fermi-LAT. The energies and arrival times of individual photons were used to constrain the vacuum dispersion parameter and the energy scale EQG at which QG effects causing LIV may arise. The maximum likelihood method is described, with detailed studies of the systematics. A modification for a non-negligible background is provided and applied to the data of an AGN flare observed by H.E.S.S.: the obtained limits on the QG energy scale are less constraining than the previous best limits obtained with blazars; yet, the new limits lie a redshift range not covered this far. Four bright and quasi background-free GRBs observed by the Fermi-LAT were also analysed, with two different template light curve determinations -- Gaussian fits and Kernel Density Estimates. The best limits on the E_QG scale for the linear/subluminal case are from the shortest burst, GRB090510: E_QG,1 > 7.6 E_Planck. More robust limits, considering the intrinsic effects possibly occurring at the source, were also derived.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit zwei Aspekten der Gammastrahlungsastronomie. Einerseits studiert sie die Anforderungen an das zukünftige CTA-Observatorium für Gammastrahlung und präsentiert insbesondere Abschätzungen der Datenmengen, die während des Betriebs des Observatoriums anfallen werden. Für das größere CTA-Teleskopfeld auf der Südhalbkugel werden demnach eine Triggerate von 13 kHz und Datenraten von bis zu 2500 MB/s erwartet. Unter der Annahme, dass 15% der Zeit für Beobachtungen genutzt werden können, ergibt sich in 15 Jahren ein Datenvolumen von bis zu 165 PB. Die Implementation eines entsprechenden Systems zur Datenerfassung und -speicherung stellt eine Herausforderung dar, die jedoch mit existierenden Technik bewältigt werden kann. Andererseits befasst sie sich mit dem Supernovaüberrest RX J0852.0-4622 (auch bekannt als Vela Junior), präsentiert die Ergebnisse einer Analyse von Daten, die mit dem H.E.S.S.-Experiment genommen wurden, und geht der Frage nach, ob RX J0852.0-4622 ein kosmischer Teilchenbeschleuniger ist. Dabei erlauben die präzisen Messungen eine im Vergleich zu früheren Veröffentlichungen verbesserte Bestimmung der Eigenschaften der emittierenden Teilchenpopulation. Es ergibt sich, dass das Energiespektrum von RX J0852.0-4622 ein Potenzgesetz ist, das zu hohen Energien hin mit einer Abschneideenergie von 7.2 TeV exponentiell unterdrückt wird. Abschließend wird anhand von Simulation gezeigt, dass CTA die Abschneideenergie von RX J0852.0-4622 signifikant besser bestimmen können wird. Diese genauere Vermessung des Energiespektrums sollte dazu beitragen, den hadronischen oder leptonischen Charakter der Emission aufzuklären. / This work focuses on two different aspects of gamma-ray astronomy. On the one hand, it studies the instrumental challenge posed by the future CTA Observatory by estimating the amount of data to be collected. Based on an analysis of simulated data, the more demanding southern array is expected to have an array trigger rate of 13 kHz, a data rate of up to 2500 MB/s and a data volume after 15 yr of operation and assuming a duty cycle of 15% of up to 165 PB. The design of the data acquisition and storage systems will be a challenge but should be manageable with existing technologies. On the other hand, it studies supernova remnants, by presenting analysis results of the gamma-ray data of the RX J0852.0-4622 supernova remnant (commonly known as Vela Junior) measured with the operating H.E.S.S. experiment and interpreting them in order to check the plausibility of RX J0852.0-4622 being a cosmic ray accelerator. The more precise measurements permit a better determination of the parent particle population properties with respect to previous publications. More precisely, a clear curvature of the spectrum of RX J0852.0-4622 is measured with an exponential energy cut-off at 7.2 TeV. Finally, the analysis of simulated data shows that CTA should be able to significantly improve the determination of the spectral energy cut-off of RX J0852.0-4622, which should help in identifying the nature of the gamma-ray emission.

Cherenkov-Teleskope sind in der Lage, das schwache Cherenkovlicht aus Teilchenschauern zu detektieren, die von kosmischen Teilchen mit Energien von ca. 100 GeV bis 100 TeV in der Erdatmosphäre initiiert werden. Das Ziel ist die Detektion von Cherenkovlicht aus Schauern, die von Gammastrahlen erzeugt wurden, der größte Teil der Schauer stammt jedoch von geladenen Teilchen. Im Jahr 2012 wurde das H.E.S.S.-Observatorium in Namibia, bis dahin bestehend aus vier Teleskopen mit 100 m²-Spiegeln, um ein fünftes Teleskop mit einer Spiegelfläche von ca. 600 m² ergänzt. Aufgrund der großen Spiegelfläche besitzt dieses Teleskop die niedrigste Energieschwelle aller Teleskope dieser Art. In dieser Dissertation wird ein schneller Algorithmus namens MonoReco präsentiert, der grundlegende Eigenschaften der Gammastrahlen wie ihre Energien und Richtungen rekonstruieren kann. Dieser Algorithmus kann weiterhin unterscheiden, ob Schauer von Gammastrahlen oder von geladenen Teilchen der kosmischen Strahlung initiiert wurden. Diese Aufgaben werden mit mithilfe von künstlichen neuronalen Netzwerken erfüllt, welche ausschließlich die Momente der Intensitätsverteilungen in der Kamera des neuen Teleskops analysieren. Eine Energieschwelle von 59 GeV und Richtungsauflösungen von 0.1°-0.3° werden erreicht. Das Energiebias liegt bei wenigen Prozent, die Energieauflösung bei 20-30%. Unter anderem mit dem MonoReco-Algorithmus wurden Daten, die in der Zeit um das Periastron des Binärsystems PSR B1259-63/LS 2883 im Jahre 2014 genommen wurden, analysiert. Es handelt sich hierbei um einen Neutronenstern, der sich in einem 3,4-Jahres-Orbit um einen massereichen Stern mit einer den Stern umgebenden Scheibe aus Gas und Plasmen befindet. Zum ersten Mal konnte H.E.S.S. das Gammastrahlenspektrum dieses Systems bei Energien unterhalb von 200 GeV messen. Weiterhin wurde bei erstmaligen Beobachtungen zur Zeit des Periastrons ein lokales Flussminimum gemessen. Sowohl vor dem ersten als auch nach dem zweiten Transit des Neutronensterns durch die Scheibe wurden hohe Flüsse gemessen. Im zweiten Fall wurden Beobachtungen erstmals zeitgleich mit dem Fermi-LAT-Experiment durchgeführt, das wiederholt sehr hohe Flüsse in diesem Teil des Orbits messen konnte. Ein Vergleich der gemessenen Flüsse mit Vorhersagen eines leptonischen Modells zeigt gute Übereinstimmungen. / Cherenkov telescopes can detect the faint Cherenkov light emitted by air showers that were initiated by cosmic particles with energies between approximately 100 GeV and 100 TeV in the Earth's atmosphere. Aiming for the detection of Cherenkov light emitted by gamma ray-initiated air showers, the vast majority of all detected showers are initiated by charged cosmic rays. In 2012 the H.E.S.S. observatory, until then comprising four telescopes with 100 m² mirrors each, was extended by adding a much larger fifth telescope with a very large mirror area of 600 m². Due to the large mirror area, this telescope has the lowest energy threshold of all telescopes of this kind. In this dissertation, a fast algorithm called MonoReco is presented that can reconstruct fundamental properties of the primary gamma rays like their direction or their energy. Furthermore, this algorithm can distinguish between air showers initiated either by gamma rays or by charged cosmic rays. Those tasks are accomplished with the help of artificial neural networks, which analyse moments of the intensity distributions in the camera of the new telescope exclusively. The energy threshold is 59 GeV and angular resolutions of 0.1°-0.3° are achieved. The energy reconstruction bias is at the level of a few percent, the energy resolution is at the level of 20-30%. Data taken around the 2014 periastron passage of the gamma-ray binary PSR B1259-63/LS 2883 were analysed with, among others, the MonoReco algorithm. This binary system comprises a neutron star in a 3.4 year orbit around a massive star with a circumstellar disk consisting of gas and plasma. For the first time the gamma-ray spectrum of this system could be measured by H.E.S.S. down to below 200 GeV. Furthermore, a local flux minimum could be measured during unprecedented measurements at the time of periastron. High fluxes were measured both before the first and after the second transit of the neutron star through the disk. In the second case measurements could be performed for the first time contemporaneously with the Fermi-LAT experiment, which has repeatedly detected very high fluxes at this part of the orbit. A good agreement between measured fluxes and predictions of a leptonic model is found.

Le télescope H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System), implanté en Namibie, est actuellement le plus efficace pour l'observation de sources de rayons gamma de très haute énergie. Constitué de 4 télescopes de grand diamètre fonctionnant en stéréoscopie, il permet une cartographie sans précédent du plan de la Galaxie à ces longueurs d'onde extrêmes. L'expérience HESS a mis en évidence la présence de particules chargées d'énergie supérieure à une centaine de TeV dans plusieurs vestiges de supernova, lieux probables d'accélération de particules dans la Galaxie, sans toutefois pouvoir conclure sur la nature hadronique ou leptonique des particules. Cette thèse présente une démarche observationnelle alternative visant à mettre en évidence l'accélération de hadrons par onde de choc dans les vestiges de supernova. Une recherche de vestiges associés à des nuages moléculaires a été menée avec les sources déjà détectées par H.E.S.S. et dans l'ensemble des observations réalisées. L'analyse et l'interprétation de trois sources de rayons gamma sont décrites. La première est la nouvelle source découverte par H.E.S.S. dans la constellation de Monoceros. Je présente ensuite l'analyse des nouvelles observations réalisées en direction de la source non identifiée HESS J1745-303. Enfin l'analyse multi-longueurs d'onde de la nouvelle source de rayons gamma coïncidente avec le vestige de supernova CTB37A est décrite. Je développe les possibles interprétations de cette émission de rayons gamma. Un apport à la construction de la seconde phase de l'expérience H.E.S.S. est présentée. Cette deuxième phase consiste en l'adjonction d'un cinquième télescope de 28 mètres de diamètre au centre du système existant. J'ai pris en charge les tests et la sélection des 6000 puces constituant le système d'échantillonnage de la caméra qui équipera ce télescope.

Les expériences actuelles en astronomie gamma sont le satellite Fermi-LAT et les expériences au sol tel que H.E.S.S., VERITAS et MAGIC. La surveillance des sources d’énergie très élevées indique une physique diversifiée. Afin d’étudier la forme la plus énergétique de radiation et les phénomènes les plus violents qui se déroulent dans l’Univers, l’analyse des sources individuelles est importante. Les BL Lac, un type de galaxie active, constituent la classe de source extragalactique la plus abondante détecté dans les énergies du GeV au TeV, tandis que le nébuleuses de vent de Pulsar sont la classe la plus peuplée dans le plan galactique. Ces deux types  de sources ont des émissions variables de rayons gamma.Dans cette thèse, la variabilité de l'objet BL Lac B2 1215 + 30 est étudiée avec les données du satellite Fermi-LAT. Une grande variation de flux, détectée par Fermi-LAT en février 2014, est simultanée avec un éruption très lumineux observé au TeV par l'expérience VERITAS. En collaboration avec la collaboration VERITAS, la variabilité du flux de rayons gamma a été utilisée pour établir des contraintes sur la taille de la région d'émission et sur le facteur Doppler. La variabilité à long terme, en utilisant près de neuf ans de données de Fermi-LAT de 100 MeV jusqu'à 500 GeV, a permis de détecter plusieurs flares. L'étude de la variabilité du flux indique un comportement quasi périodique avec une période de jours.Ensuite, la variabilité du flux de l’un des objets les plus étudié, la Nébuleuse du Crabe, au TeV est étudiée avec dix ans d'observation de l'expérience H.E.S.S. Le spectre de la nébuleuse du crabe est mesuré de 280 GeV jusqu'à 62 TeV. Ceci est la première mesure qui s'étend à ces très hautes énergies. Considérée comme une “chandelle standard” en astronomie gamma, la nébuleuse du crabe est une source utilisée pour l'étalonnage et l'étude des instruments. L’observation de variations du flux au GeV par le satellite Fermi-LAT a par conséquent été une découverte inattendue. Ces variations de flux au GeV ont motivé la recherche de variations de flux au TeV en utilisant les données de l'expérience H.E.S.S. La position de la nébuleuse de crabe dans l'hémisphère nord et la localisation de H.E.S.S. en Namibie rendent cette enquête complexe en raison des importantes erreurs systématiques introduites par des conditions d'observation non optimales. Le travail sur la nébuleuse du crabe montre que la prise en compte de la transparence atmosphérique pour l'étude de l'évolution du flux avec le temps résulte en une réduction des effets systématiques. Aucune variation de flux n'a été observée à des énergies supérieures à 1 TeV dans les données de H.E.S.S. I. Une autre variation de flux au GeV signalée par le Fermi-LAT en octobre 2016 par télégramme astronomique, a été étudiée avec H.E.S.S. II. Cette analyse a montré que le GeV éruption a duré pendant un mois, et le flux avec H.E.S.S. a une variance excessive de 15 %. Cela devrait être comparé à l'incertitude systématique de 20 % fréquemment citée par H.E.S.S. / The current state-of-the-art experiments in gamma-ray astronomy are the Fermi-LAT in space and the ground-based H.E.S.S., VERITAS and MAGIC experiments. The monitoring of the very-high-energy gamma-ray emitting sources indicates the diverse physics taking place in astrophysical environments. To study the most energetic form of radiation and the most violent phenomena taking place in the Universe, individual source analyses are important. BL Lac objects, a subcategory of active galaxies, are the most abundant source class detected both in the GeV andTeV energies, while pulsar wind nebulae represent the most numerous identified source class in the galactic plane. Both source classes exhibit gamma-ray flux variations.In this thesis, the gamma-ray variability of the BL Lac object B2 1215+30 is presented with Fermi-LAT data. A bright flare, with 16 times the average quiescent flux, was detected in February 2014.In collaboration with the VERITAS experiment, the gamma-ray variability was investigated over five decades in energy. This work resulted in the detection of a luminous flare, seen simultaneously in GeV and TeV energies by both instruments. These results were used to set constraints on the size of the emission region and on the Doppler factor of the relativistic jet. Additionally, the long-term variability was studied using nine years of Fermi-LAT data. This brought out new flux enhancements, which characterize the long-term lightcurve from 100 MeV up to 500 GeV. Other striking characteristics are a steady linear increase of the yearly average flux, together with a hardening of the spectral index. The investigation of the light curve indicates a hint of quasi-periodic behavior with a period of around 1083±32 days.This work includes spectrum and flux variability studies for the well-studied but ever-surprising Crab Nebula at TeV energies with more than a decade of H.E.S.S. observations. The spectrum measured in this work goes from 280 GeV to 62 TeV, making this the first measurement tha textends to such very-high-energies. Considered as a standard candle for ground-based gamma-ray astronomy, the Crab Nebula is also used for calibration and instrument studies. The detection of GeV flares by the Fermi-LAT were unexpected and motivated the search of flux variations at TeVenergies with the H.E.S.S. experiment. The position of the Crab Nebula in the northern hemisphere makes this investigation challenging due to the large systematic uncertainties introduced by the non-optimal observation conditions. This work showed that the systematic uncertainties can be reduced by taking into account the atmospheric transparency. No flux variations were found at energies above 1 TeV from the H.E.S.S. I data. A flare reported by the Fermi-LAT in October 2016 was also investigated. This analysis showed the GeV flare lasting for one month, while the flux withH.E.S.S. II had an excess variance of 15 %. This should be compared to the commonly quoted 20% systematic uncertainty by H.E.S.S. experiment.

Das High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) ist ein System von fünf atmosphärischen Cherenkov-Teleskopen (IACT) in Namibia. Die H.E.S.S. Teleskope sind empfindlich für sehr energiereiche (VHE) Gammastrahlen zwischen ~30 TeV und 100 TeV. Mit einer Entfernung von 16,5 Mpc ist Messier 87 (M87) eine der nächsten Radiogalaxien und beherbergt eines der massereichsten supermassiven Schwarzen Löcher, das Materie in einen Plasmastrahl relativistischer Teilchen emittiert. Der Strahl wird im Bereich des gesamten elektromagnetischen Spektrums beobachtet und untersucht. M87 befindet sich im Zentrum des Virgo-Galaxienhaufens, eines kühlen Galaxienhaufens, der von Gas gefüllt ist, das in der Nähe des Zentrums kälter und in den Außenbereichen des Galaxienhaufens heißer ist. Gemäß der Cooling Flow (CF) Theorie kühlt das Plasma in Cool Core (CC) Haufen am Rand des Haufens ab und sinkt nach innen, wodurch die Sternentstehungsrate im Zentrum erhöht wird. Optische Messungen des Virgo Galaxienhaufens scheinen diesem Modell jedoch zu widersprechen. Als Heizmechanismus wird der aktive galaktische Kern Rückkopplungsmechanismus vorgeschlagen, der die Abkühlung des ICM ausgleicht und dessen CF vermeidet. Die kosmische Strahlung des Jets interagiert mit der ICM und erzeugt neutrale Pionen, die in Gammastrahlen zerfallen und ein nicht variables und ausgedehntes Gammastrahlensignal erzeugen. Allerdings konnten keine Gammastrahlen-Beobachtungen mit dem Pionenzerfall in dem Galaxienhaufen in Verbindung gebracht werden. In dieser Studie der H.E.S.S. Beobachtungen des niedrigen Strahl-Aktivitätszustands von M87 haben keine signifikante Ausdehnung der Emissionsregion gezeigt, woraus eine 3σ Obergrenze von 0.016° ≈ 4.6 kpc abgeleitet wurde. Das Verhältnis des Drucks in kosmischer Strahlung zur thermischen Strahlung ist auf <0.36 im Zentralregion beschränkt. Diese abgeleitete Obergrenze nimmt einen Gleichgewichtszustand zwischen den Erwärmungs und den Kühlprozessen an. Die neue Generation von IACTs, das Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO), wird eine unvergleichbare Empfindlichkeit und Winkelauflösung bieten. Um die langfristige Verfügbarkeit der Teleskope sicherzustellen, wurde ein auf Schwingungsmessungen basierendes Strukturüberwachungssystem entwickelt und zwischen 2019 und 2020 in Berlin am Prototyp des mittelgrossen Teleskopes erfolgreich getestet. CTAO wird in der Lage sein die Gammastrahlung des Virgo Haufens zu untersuchen und sie laut Simulationen und dem Steady-State-Modell innerhalb von ~210 h zu detektieren. / The High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) is an array of five Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (IACTs) located in Namibia. The H.E.S.S. telescopes are sensitive to Very-High-Energy (VHE) gamma rays between ~30 TeV and ~100 TeV. At a distance of 16.5 Mpc Messier 87 (M87) is one of the closest radio-galaxies, hosting one of the most massive Super-Massive Black Hole, which accretes matter and launches an inclined jet of relativistic particles. The jet is detected and studied by radiation emitted through the entire electromagnetic spectrum. M87 is located at the very center of the Virgo galaxy cluster, a Cool Core (CC) cluster, characterized by an Intra-cluster Medium (ICM) that is colder close to the center and hotter towards the outskirts of the galaxy cluster. According to the Cooling Flow (CF) theory, the plasma in CC clusters cools in the outskirts of the cluster and falls inwards, increasing the star formation ratio in the region. However, optical measurements of the Virgo Cluster seem to contradict this model. The Active Galactic Nucleus (AGN) feedback mechanism is proposed as a heating mechanism, which counterbalances the cooling of the ICM and avoids its CF. The cosmic rays from the jet interact with the ICM producing neutral pions, which decay to gamma rays, forming a non-variable and extended gamma-ray signal. However, no gamma-ray observations could be associated with pion decay in galaxy clusters. In this work, deep H.E.S.S. observations of M87's low state are analyzed, and the results have shown no significant gamma-ray extension leading to a 3σ upper limit of 0.016° ≈ 4.6 kpc. The ratio of cosmic-ray pressure to thermal pressure XCR is constrained to < 0.36 at its maximum position, assuming a steady-state between the heating and the cooling processes. The new generation of IACTs, the Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO) will offer unprecedented sensitivity and angular resolution. To assure the long-term availability of the telescopes, a structure monitoring system based on vibration measurements was developed and successfully tested at the Medium-sized Telescope (MST) prototype between 2019 and 2020 in Berlin. CTAO should be able to probe the gamma-ray emission from the Virgo Cluster, and, according to simulations and to the steady-state model, significantly detect it after ≈ 210 h.

Les Noyaux Actifs de Galaxies (NAG) sont parmi les sources les plus énergétiques dans l'Univers. Certains possèdent un jet relativiste dont l'émission est purement non-thermique. Lorsque le jet est aligné avec notre ligne de visée, ces objets appelés "blazars" voient leur émission amplifiée par effet Doppler relativiste. Depuis l'avènement de l'astrophysique gamma aux très hautes énergies (THE; E>100 GeV), les télescopes Cherenkov comme H.E.S.S. ont observé près d'une trentaine de NAG, principalement des blazars, depuis le sol. Ils tirent parti du rayonnement Cherenkov issu des gerbes de particules secondaires engendrées par l'arrivée d'un photon gamma dans l'atmosphère terrestre, pour remonter aux propriétés du photon incident et ainsi étudier ces sources extragalactiques. Nous avons étudié l'émission gamma THE rapidement variable du blazar PKS 2155-304, dont deux éruptions majeures ont été détectées en Juillet 2006, grâce à un modèle synchrotron self-Compton (SSC) dynamique. Cette émission variable présente des propriétés extrêmes excluant certains scénarios d'émission standard des blazars. Nous avons aussi développé un modèle d'émission SSC de jets relativistes non alignés avec la ligne de visée, afin d'interpréter la découverte récente par H.E.S.S. de deux radio galaxies, M 87 et Cen A, qui prouve l'émergence d'une nouvelle famille d'émetteurs cosmiques au TeV. Nous concluons avec une étude systématique menée sur l'ensemble des NAG actuellement connus au TeV, à l'aide d'un modèle SSC stationnaire. Nous présentons des diagnostics de prédictions de densités de flux dans ces objets, pouvant être confrontés aux observations futures du Cherenkov Telescope Array (CTA).

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.