Le Large Area Telescope (LAT) à bord du satellite Fermi, lancé le 11 Juin 2008, est sensible au rayonnement gamma de20 MeV à plus de 300 GeV. 148 pulsars gamma à ce jour ont été détectés avec le Fermi-LAT, dont 117 sont détaillés dansle Deuxième Catalogue de Pulsars gamma de Fermi (2PC). Les pulsars forment la plus grande classe de sources au GeVdans la Voie Lactée. Les études de pulsars gamma apportent des contraintes importantes sur les modèles d’émission gamma etpermettent des percées dans notre compréhension des pulsars.Cette thèse présente des détections de sept pulsars gamma faibles déjà connus en radio, dont quatre jeunes ou d’âgesmoyens et trois millisecondes (MSP). L’analyse spectrale et la caractérisation des courbes de lumiére sont décriteset comparées à la population de 2PC. Ces détections ont l’intérêt particulier de sonder et d’étendre l’espace desparamètres de la population actuelle. Elles illustrent la distorsion inhérente dans 2PC et marquent la transition de lapremière phase (pulsars brillants) à la seconde phase (pulsars faibles) d’opération de Fermi. Le développement desmodèles théoriques et un recensement complet de la population galactique des étoiles à neutrons bénéficieront de plusde détections de pulsars faibles dans les années à venir.Certains pulsars gamma dans 2PC manifestant de grande efficacité gamma sont étudiés dans cette thèse. L’examen desdifférents paramètres qui influencent l’efficacité conduit à quelques candidats pour lesquels un plus grand momentd’inertie est nécessaire afin de résoudre le paradoxe de grande efficacité. Les observations de Fermi en rayons gamma ontl’air à apporter des contraintes indépendantes sur le moment d’inertie et les équations d’état des étoiles à neutrons. / The Large Area Telescope (LAT) on board the Fermi satellite, launched on June 11 2008, is sensitive to g raysfrom 20 MeV to over 300 GeV. gamma-ray pulsations from 148 pulsars to date have been detected with the Fermi-LAT, 117are detailed in the Second Fermi-LAT Gamma-ray Pulsar Catalog (2PC). Pulsars are by far the largest GeV sourceclassin the Milky Way. Studies of the increasing gamma-ray pulsar sample bring important constraints on theoretical gamma-rayemission models and enable breakthroughs in our understanding of pulsars.This thesis presents detections of seven faint gamma-ray pulsars that are already known at radio wavelengths, includingfour young or middle aged pulsars and three millisecond pulsars (MSPs). Spectral analysis and light curve characterizationsare detailed and compared to the 2PC sample. These detections have the special interest of allowing us toprobe and extend the parameter space of the current population. They illustrate the inherent bias in 2PC and mark thetransition from the early part (bright pulsars) to the later part (faint pulsars) of the Fermi mission. Theoretical modeldevelopments and a complete census of Galactic neutron star populations will benefit from more detections of weakpulsars in the years to come.Some high gamma-ray efficiency pulsars in 2PC are studied in this thesis. Investigations on different parameters whichinfluence the efficiency result in a few candidates for which a large moment of inertia is necessary to cure the highefficiency paradox. Fermi gamma-ray observations seem to bring independent constraints on the moment of inertia andequations of state of neutron stars

Le satellite Fermi a été lancé le 11 juin 2008, avec à son bord le Large Area Telescope (LAT). Le LAT est un télescope sensible au rayonnement ? de 20 MeV à plus de 300 GeV. Avant la mise en service du LAT, six pulsars jeunes et énergétiques étaient connus dans le domaine ? . Le nombre de détections de pulsars par le LAT prédit avant lancement était de plusieurs dizaines au moins. Le LAT permettait également l’étude des pulsars milliseconde (MSPs), jamais détectés avec certitude à très haute énergie jusqu’alors. Cette thèse aborde dans un premier temps la campagne de chronométrie des pulsars émetteurs radio et/ou X, candidats à la détection par le LAT, en collaboration avec les grands radiotélescopes et télescopes X. Cette campagne a permis la recherche de signaux ? pulsés avec une grande sensibilité. En outre, la plupart des MSPs galactiques ont été suivis dans le cadre de cette campagne, sans biais de sélection a priori sur cette population d’étoiles. Pour la première fois, des pulsations ont été détectées pour huit MSPs galactiques au-dessus de 100 MeV. Quelques bons candidats à une détection prochaine apparaissent. Une recherche similaire a été conduite pour des MSPs d’amas globulaires, sans succès à présent. L’analyse des courbes de lumière et des propriétés spectrales des huit MSPs détectés révèle que leur rayonnement ? est relativement similaire à celui des pulsars ordinaires, et est vraisemblablement produit dans la magnétosphère externe. Cette découverte suggère que certaines sources non-identi?ées sont des MSPs, pour l’instant inconnus. / The Fermi observatory was launched on June 11, 2008. It hosts the Large Area Telescope (LAT), sensitive to ? -ray photons from 20 MeV to over 300 GeV. Before the LAT began its activity, six young and energetic pulsars were known in ? rays. At least several tens of pulsar detections by the LAT were predicted before launch. The LAT also allowed the study of millisecond pulsars (MSPs), never ?rmly detected in ? rays before Fermi. This thesis ?rst presents the pulsar timing campaign for the LAT, in collaboration with large radiotelescopes and X-ray telescopes, allowing for high sensitivity pulsed searches. Furthermore, it lead to quasi-homogeneous coverage of the galactic MSPs, so that the search for pulsations in LAT data for this population of stars was not affected by an a priori bias. We present a search for pulsations from these objects in LAT data. For the ?rst time, eight galactic MSPs have been detected as sources of pulsed ? -ray emission over 100 MeV. In addition, a couple of good candidates for future detection are seen. A similar search for globular cluster MSPs has not succeeded so far. Comparison of the phase-aligned ? -ray and radio light curves, as well as the spectral shapes, leads to the conclusion that their ? -ray emission is similar to that of normal pulsars, and is probably produced in the outer-magnetosphere. This discovery suggests that many unresolved ?-ray sources are unknown MSPs.

Le satellite Fermi a été lancé le 11 juin 2008, avec à son bord le Large Area Telescope (LAT). Le LAT est un télescope sensible au rayonnement gamma de 20 MeV à plus de 300 GeV. Au début de l'activité de Fermi, neuf pulsars jeunes et énergétiques étaient connus dans le domaine gamma. Le nombre de détections de pulsars par le LAT prédit avant lancement était de plusieurs dizaines au moins. Le LAT permettait également l'étude des pulsars milliseconde (MSPs), jamais détectés avec certitude à très haute énergie jusqu'alors. Cette thèse aborde dans un premier temps la campagne de chronométrie des pulsars émetteurs radio et/ou X, candidats à la détection par le LAT, en collaboration avec les grands radiotélescopes et télescopes X. Cette campagne a permis la recherche de signaux gamma pulsés avec une grande sensibilité. En outre, la plupart des MSPs galactiques ont été suivis dans le cadre de cette campagne, sans biais de sélection a priori sur cette population d'étoiles. Pour la première fois, des pulsations ont été détectées pour huit MSPs galactiques au-dessus de 100 MeV. Quelques bons candidats à une détection prochaine apparaissent. Une recherche similaire a été conduite pour des MSPs d'amas globulaires, sans succès à présent. L'analyse des courbes de lumière et des propriétés spectrales des huit MSPs détectés révèle que leur rayonnement gamma est relativement similaire à celui des pulsars ordinaires, et est vraisemblablement produit dans la magnétosphère externe. Cette découverte suggère que certaines sources non identifiées sont des MSPs, pour l'instant inconnus.

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.

Après plus d'un siècle d'étude des rayons cosmiques, des questions persistent à propos de leur origine. À l'échelle de notre galaxie, les vestiges de supernovæ sont d'excellents candidats en tant que sources de rayons cosmiques et il est aujourd'hui avéré que ces ondes de choc générées par l'explosion d'étoiles en fin de vie accélèrent des électrons jusqu'au TeV. Cependant, des preuves tangibles manquent toujours pour confirmer que les protons, qui représentent ~90% du rayonnement cosmique, y sont également accélérés. Ces preuves sont à chercher entre 100 MeV et 10 GeV où la forme spectrale de l'émission gamma nous renseigne sur la nature des particules accélérées.Ce domaine en énergie est observé par le satellite Fermi qui scrute le ciel à haute énergie grâce au Large Area Telescope (LAT), un instrument capable de détecter les rayons gamma d'énergies comprises entre 20 MeV et plus de 300 GeV. Avec la dernière version des données en date (Pass 8) rendue publique en 2015, la surface efficace a été sensiblement accrue, notamment à haute énergie. L'objet de cette thèse a été de mettre à profit les nouvelles performances du LAT pour étudier le rayonnement provenant de jeunes vestiges de supernovæ en coquille afin d'évaluer leur capacité à accélérer des particules à haute énergie. Au total, quatre vestiges de ce type ont été étudiés en détail : RCW 86, HESS J1731-347, SN 1006 et RX J1713.7-3946.L'analyse morphologique et spatiale de ces sources nous a menés à d'importants résultats : HESS J1731-347 et SN 1006 ont été détectés pour la première fois au GeV, nous avons mis en évidence une morphologie en coquille pour RCW 86 qui était précédemment détectée comme une source ponctuelle et RX J1713.7-3946 a révélé une forme spectrale plus complexe que ce qui était alors connu. Grâce à la modélisation de l'émission non-thermique de ces sources, en s'aidant des données au TeV obtenues par H.E.S.S., nous avons montré que leur émission gamma est très largement dominée par le rayonnement Compton inverse des électrons de haute énergie diffusant sur les champs de photons ambiants. Cependant, des modifications spectrales ont également été trouvées dans certaines parties de SN 1006 et RX J1713.7-3946 où l'onde de choc est en interaction avec des régions denses en matière, traçant la possible accélération de protons en leur sein. / After more than a century of cosmic-ray studies, questions about their origin remain unanswered. In our galaxy, supernova remnants are excellent candidates to be the sources of cosmic rays and it is now certain that these shock waves created by the explosion of dying stars accelerate electrons up to TeV energies. However, undeniable proof is still missing to confirm that protons, which represent ~90% of the cosmic radiation, are also accelerated. Such proof can be searched for between 100 MeV and 10 GeV, where the spectral shape of the gamma-ray emission changes according to the nature of the particles that are accelerated.This energy range is covered by the Fermi spacecraft which observes the high energy sky with the Large Area telescope (LAT), an instrument detecting gamma-rays from 20 MeV to more than 300 GeV. With the latest version of the data, released in 2015 (Pass 8), the effective area has been greatly improved, especially at high energy. The goal of this thesis was to take advantage of the improved performance of the LAT to study the radiation coming from young shell-type supernova remnants and to evaluate their ability to accelerate particles to high energy. Four such remnants were studied in detail: RCW 86, HESS J1731-347, SN 1006 and RX J1713.7-3946.Spatial and spectral analyses of these sources yielded important results: HESS J1731-347 and SN 1006 were identified for the first time in the GeV range, we detected a shell-like morphology for RCW 86 which was previously seen as a point source, and RX J1713.7-3946 revealed an unexpected spectral shape. Broadband modeling of the non-thermal emission of these remnants, using in particular TeV data obtained with H.E.S.S., showed that their gamma-ray emission is dominated by the inverse Compton scattering of electrons on ambient photon fields. However, we also found spectral modifications in some parts of SN 1006 and RX J1713.7-3946 where the shock is interacting with dense regions that could trace the acceleration of protons.

Dédié à l’étude de l’astronomie gamma, le satellite Fermi a été lancé le 11 juin 2008. Il comporte à sonbord l’instrument Large Area Telescope (LAT), sensible au rayonnement gamma dans la gamme d’énergie de20 MeV à 300 GeV. Bien que la nébuleuse du Crabe ait été étudiée dans la gamme d’énergie 70 MeV à 30GeV couverte par son précédesseur, l’expérience CGRO-EGRET, aucune nébuleuse n’a jamais été clairementidentifiée dans le domaine des rayons gamma de haute énergie jusqu’au lancement de Fermi.Les pulsars alimentent les nébuleuses qui les entourent par l’injection permanente d’un vent d’électrons etpositrons relativistes qui, accélérés au niveau de l’onde de choc délimitant les nébuleuses de pulsars, émettentun rayonnement pouvant être observé dans les différents domaines du spectre électromagnétique, et notammentdans le domaine des rayons gamma de haute énergie.Les données recueillies par le Fermi-LAT au cours des deux premières années de mission ont désormaispermis la détection et l’identification de trois nébuleuses et de leurs pulsars associés (nébuleuses du Crabe, deVela-X et de MSH 15-52) ainsi que de la nébuleuse de pulsar HESS J1825-137 découverte par les instrumentsau sol dédiés à l’astronomie gamma de très haute énergie.Les résultats des analyses temporelle, spectrale et morphologique réalisées sur les systèmes pulsars/nébuleuses détectés par le LAT sont exposés dans ce manuscrit. La synthèse des études systématiquesréalisées (i) dans les régions comportant un pulsar émetteur en rayons gamma et (ii) dans les régions comportant une source émettrice de rayons gamma de très haute énergie étant identifiée en tant que nébuleuse depulsar ou candidate en tant que telle, sont également présentés dans cette thèse. Ces études apportent de nouvelles contraintes sur les propriétés physiques des sources ainsi que sur les mécanismes de rayonnement mis enjeu dans la magnétosphère des pulsars et au sein de leurs nébuleuses. / 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 Crab Nebula had been detectedand studied in the 70 MeV – 30 GeV band using the CGRO-EGRET experiment, but no pulsar wind nebula(PWN) had ever been firmly identified in the high energy gamma-ray domain.PWNe are powered by the constant injection of a relativistic wind of electrons and positrons from theircentral 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 high energy gamma-raydomain.Data provided by the Fermi-LAT during the first two years of the mission have allowed the detection andthe identification of three PWNe and their associated pulsars (Crab Nebula, Vela X and MSH 15-52) as well asthe PWN HESS J1825-137 discovered by ground-based experiments sensitive to very high energy gamma-rays.Results of temporal, spectral and morphological analyses of the pulsar/PWN systems detected by Fermi-LAT, as well as results of systematic studies performed (i) around every gamma-ray pulsar detected by the LATand (ii) around every very high energy source identified as a PWN or a PWN candidate are presented in thisdissertation. These studies bring new insights and constraints on the physical properties of the sources as wellas on emitting processes in pulsar magnetospheres and in PWNe.

Dédié à l'étude de l'astronomie gamma, le satellite Fermi a été lancé le 11 juin 2008. Il comporte à son bord l'instrument Large Area Telescope (LAT), sensible au rayonnement gamma dans la gamme d'énergie de 20 MeV à 300 GeV. Bien que la nébuleuse du Crabe ait été étudiée dans la gamme d'énergie 70 MeV à 30 GeV couverte par son précédesseur, l'expérience CGRO-EGRET, aucune nébuleuse n'a jamais été clairement identifiée dans le domaine des rayons gamma de haute énergie jusqu'au lancement de Fermi. Les pulsars alimentent les nébuleuses qui les entourent par l'injection permanente d'un vent d'électrons et positrons relativistes qui, accélérés au niveau de l'onde de choc délimitant les nébuleuses de pulsars, émettent un rayonnement pouvant être observé dans les différents domaines du spectre électromagnétique, et notamment dans le domaine des rayons gamma de haute énergie. Les données recueillies par le Fermi-LAT au cours des deux premières années de mission ont désormais permis la détection et l'identification de trois nébuleuses et de leurs pulsars associés (nébuleuses du Crabe, de Vela-X et de MSH 15-52) ainsi que de la nébuleuse de pulsar HESS J1825-137 découverte par les instruments au sol dédiés à l'astronomie gamma de très haute énergie. Les résultats des analyses temporelle, spectrale et morphologique réalisées sur les systèmes pulsars/nébuleuses détectés par le LAT sont exposés dans ce manuscrit. La synthèse des études systématiques réalisées (i) dans les régions comportant un pulsar émetteur en rayons gamma et (ii) dans les régions comportant une source émettrice de rayons gamma de très haute énergie étant identifiée en tant que nébuleuse de pulsar ou candidate en tant que telle, sont également présentés dans cette thèse. Ces études apportent de nouvelles contraintes sur les propriétés physiques des sources ainsi que sur les mécanismes de rayonnement mis en jeu dans la magnétosphère des pulsars et au sein de leurs nébuleuses.

Le Large Area Telescope (LAT) à bord du satellite Fermi, lancé le 11 Juin 2008, est sensible au rayonnement gamma de20 MeV à plus de 300 GeV. 148 pulsars gamma à ce jour ont été détectés avec le Fermi-LAT, dont 117 sont détaillés dansle Deuxième Catalogue de Pulsars gamma de Fermi (2PC). Les pulsars forment la plus grande classe de sources au GeVdans la Voie Lactée. Les études de pulsars gamma apportent des contraintes importantes sur les modèles d'émission gamma etpermettent des percées dans notre compréhension des pulsars.Cette thèse présente des détections de sept pulsars gamma faibles déjà connus en radio, dont quatre jeunes ou d'âgesmoyens et trois millisecondes (MSP). L'analyse spectrale et la caractérisation des courbes de lumiére sont décriteset comparées à la population de 2PC. Ces détections ont l'intérêt particulier de sonder et d'étendre l'espace desparamètres de la population actuelle. Elles illustrent la distorsion inhérente dans 2PC et marquent la transition de lapremière phase (pulsars brillants) à la seconde phase (pulsars faibles) d'opération de Fermi. Le développement desmodèles théoriques et un recensement complet de la population galactique des étoiles à neutrons bénéficieront de plusde détections de pulsars faibles dans les années à venir.Certains pulsars gamma dans 2PC manifestant de grande efficacité gamma sont étudiés dans cette thèse. L'examen desdifférents paramètres qui influencent l'efficacité conduit à quelques candidats pour lesquels un plus grand momentd'inertie est nécessaire afin de résoudre le paradoxe de grande efficacité. Les observations de Fermi en rayons gamma ontl'air à apporter des contraintes indépendantes sur le moment d'inertie et les équations d'état des étoiles à neutrons.

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.