L'Univers est continûement le théâtre d'événements explosifs capables de relâcher une énorme quantité d'énergie sur des courtes échelles de temps. Ces sources transitoires comme les sursauts gamma, les supernovae ou les noyaux actifs de galaxie sont souvent associées à des objets extrêmes comme des étoiles à neutrons ou des trous noirs. De manière générale, ces sources émettent des radiations électromagnétiques dans une large bande spectrale voire sur la totalité du spectre pour les cas les plus extrêmes. Dès lors, une analyse multi-longueur d'onde est vitale pour étudier et comprendre la physique complexe de ces objets. De plus, au voisinage de ces sources, des particules (rayons cosmiques, RC) pourraient être efficacement accélérées jusqu'à des énergies très elevées dans des processus de chocs violents. L'interaction de ces RCs avec l'environnement peut conduire à la production d'un nombre significatif de neutrinos de hautes énergies. Par conséquent, l'étude des objets transitoires par le biais de l'astronomie neutrino offre la possibilité d'identifier enfin la nature des puissants accélérateurs cosmiques.Cette thèse est dédiée à l'étude de deux sources transitoires parmi les plus extrêmes dans l'Univers : les sursauts gamma (en anglais, Gamma-Ray Bursts : GRBs) détectés il y a ~ 50 ans et les sursauts radio (en anglais, Fast Radio Bursts : FRBs) fraîchement découverts il y a ~ 15 ans. Ces sources sont caractérisées par l'émission "prompte" d'un flash gamma (keV-MeV) durant de quelques ms à plusieurs secondes dans le cadre des GRBs et d'un flash intense en radio (GHz) durant quelques ms pour les FRBs. Dans le cas des GRBs une émission rémanente dite "afterglow" est observée dans une large gamme spectrale (X, visible et radio) alors que jusqu'à présent aucune autre contrepartie électromagnétique provenant d'un FRB n'a été découverte. Ces dernières années des modèles d'émission multi-longueur d'onde et multi-messager ont été développés afin d'expliquer ces 2 phénomènes. L'objectif majeur de ce travail de thèse est de tester ces modèles d'émission afin de contraindre la physique et la nature de ces deux objets. Pour cela, une analyse détaillée des propriétés physiques de l'émission afterglow des GRBs a été menée grâce à un large échantillon de données collectées ces 20 dernières années par diverses télescopes. Cette étude a permis de mettre en évidence les lacunes et les réussites du modèle GRB dit "standard" mais aussi les liens physiques subtils existant entre l'émission prompte des GRBs et leurs rémanences. Une recherche de signal neutrino en coïncidence avec les GRBs/FRBs a aussi été réalisée avec le télescope à neutrinos ANTARES. Les résultats sont décrits dans cette thèse ainsi que les contraintes apportées sur les processus d'accélération des particules durant ces phénomènes transitoires. Enfin, ce manuscrit rend compte des différents programmes d'observations innovants qui ont été engagés sur les télescopes optiques TAROT et Zadko et le télescope à neutrinos ANTARES afin de contraindre la nature des progéniteurs des GRBs/FRBs. / The Universe is continuously the scene of explosive events capable of releasing a tremendous amount of energy in short time scales. These transients like Gamma-Ray Bursts, Supernovae or Active Galactic Nuclei are often associated with extreme objects such as neutron stars or black holes. Generally, these sources emit light in a large spectral energy range and sometimes in the whole electromagnetic spectrum for the most extreme cases. Thus, a multi-wavelength analysis is crucial to study and understand the complex physical processes at work. Furthermore, in the vicinity of these sources, particles (cosmic-rays, CRs) could be efficiently accelerated up to very high energies by violent shock mecanisms. The interaction of these CRs with the surrounding environment may lead to a substantial production of high-energy neutrinos. Therefore, the study of the high-energy transient objects through neutrino astronomy offer the possibility to finally identify the nature of the powerful cosmic accelerators a hundred year after the discovery of the cosmic-rays.This thesis is dedicated to the study of two transient sources among the most extreme ones observed in the Universe: the Gamma-Ray Bursts (GRBs) detected ~ 50 years ago and the Fast Radio Bursts (FRBs) newly discovered ~ 15 years ago. These sources are characterised by the "prompt" emission of a gamma-ray flash (keV-MeV) lasting few ms up to few seconds for GRBs and an intense pulse of radio light (GHz) lasting few ms for FRBs. In the case of GRBs a late broadband afterglow emission is observed in X-rays/optical/radio domain while up to now no other electromagnetic counterpart has ever been detected in coincidence with any FRBs. These last years, many models predicting a multi-wavelength and a multi-messenger emission from these two phenomena have been developped. The main goal of this thesis work is to test these models in order to constrain the physics and the nature of the GRBs/FRBs. To do so, a detailed analysis on the physical properties of the GRB afterglow emission was made thanks to a large set of data collected these last 20 years by various facilities. The study reveals the major problems but also the successes encountered with the so-called "standard" GRB model. Subtle connections between the prompt and the afterglow emission are also discussed. In addition, a search for a neutrino signal from GRBs/FRBs was realised with the ANTARES neutrino telescope. The results are described in this thesis as well as the constraints on the particle acceleration mecanisms occuring during these transient phenomena.At last, this manuscript presents the different innovative observational programs realised in the optical domain with the TAROT and Zadko telescopes and in the astroparticle side with the ANTARES neutrino telescope in order to probe the nature of the GRBs/FRBs progenitors.

Les sources transitoires sont souvent associées aux phénomènes les plus violents de l’Univers, où l’accélération de hadrons peut avoir lieu. Parmi ces sources, les sursauts gamma, les noyaux actifs de galaxie ou encore les supernovae à effondrement de coeur sont des candidats prometteurs pour la production de rayons cosmiques et de neutrinos de haute énergie. Le télescope ANTARES, situé au fond de la Méditerranée, a pour but de détecter ces neutrinos, qui pourraient révéler la présence d’une source de rayons cosmiques. Cependant, pour augmenter la sensibilité aux sources transitoires, une méthode basée sur le suivi multi-longueur d’onde d’alertes neutrino a été développée au sein de la collaboration ANTARES. Ce programme, TAToO, permet de déclencher un réseau de télescopes optiques et l’instrument XRT du satellite Swift seulement quelques secondes après la détection d’un neutrino par ANTARES. Les télescopes commencent un programme d’observation de la région du ciel correspondante pour tenter de détecter une contrepartie optique ou X à l’évènement neutrino. Les travaux présentés dans cette thèse portent sur le développement et la mise en place d’un programme d’analyse d’images optiques, ainsi que sur l’analyse de données optiques et X obtenues lors des observations par les différents télescopes, pour identifier des sources transitoires rapides, telles que les émissions rémanentes de sursauts gamma, ou lentes, telles que les supernovae à effondrement de coeur. / Transient sources are often associated with the most violent phenomena in the Universe, where the acceleration of hadrons may occur. Such sources include gamma-ray bursts (GRBs), active galactic nuclei (AGN) or core-collapse supernovae (CCSNe), and are promising candidates for the production of high energy cosmic rays and neutrinos. The ANTARES telescope, located in the Mediterranean sea, aims at detecting these high energy neutrinos, which could reveal the presence of a cosmic ray accelerator. However, to enhance the sensitivity to transient sources, a method based on multi-wavelength follow-up of neutrino alerts has been developed within the ANTARES collaboration. This program, denoted as TAToO, triggers a network of robotic optical telescopes and the Swift-XRT with a delay of only few seconds after a neutrino detection. The telescopes start an observation program of the corresponding region of the sky in order to detect a possible electromagnetic counterpart to the neutrino event. The works presented in this thesis cover the development and implementation of an optical image analysis pipeline, as well as the analysis of optical and X-ray data to search for fast transient sources, such as GRB afterglows, and slowly varying transient sources, such as CCSNe.

L'objectif de ce travail est la détection conjointe d'ondes gravitationnelles et de neutrinos cosmique de haute énergie à travers une approche multi-messagers. Les astronomies "neutrinos" et "ondes gravitationnelles" sont encore en phase de développement, mais elles sont appelées à jouer un rôle fondamental dans le futur. En effet, ces "messagers" peuvent parcourir de grandes distances grâce à leur faible interaction avec la matière (contrairement aux photons qui, à haute énergie, sont rapidement absorbés), sans être affectés par les champs magnétiques (contrairement aux rayons cosmiques chargés). Ils peuvent également s' échapper de milieux denses et fournir des informations sur les processus qui ont lieu au coeur des sources astrophysique (les photons s' échappent des couches périphériques des objets célestes). En un mot, ces astronomies sont susceptibles d'ouvrir une nouvelle fenêtre d'observation sur le cosmos. La collaboration ANTARES a construit en Méditerranée un télescope sous-marin de neutrino de haute énergie d'une surface de détection proche de 0.1 km². C'est le télescope le plus sensible pour la partie du ciel observée. Les interféromètres VIRGO et LIGO sont des détecteurs terrestres pour l'observation directe d'ondes gravitationnelles, instalés en Europe et aux états-Unis d'Amérique respectivement. Les instruments ANTARES, VIRGO et LIGO offrent une sensibilité inégalée dans la zone de recherche commune. Le premier chapitre de cette thèse introduit les motivations théoriques pour une recherche jointe d'ondes gravitationnelles et de neutrinos de haute énergies en développant les différents scénarios d'émission. Le deuxième et troisième chapitres sont consacrés à l'étude des techniques de détection avec les interféromètres VIRGO-LIGO et le télescope à neutrinos ANTARES. Les quatriéme et cinquième chapitres de ce travail présentent les résultats d'analyses de données combinées d'ANTARES, VIRGO et LIGO prises séparement pendant les années 2007 et 2009-2010.