Plusieurs observations récentes semblent montrer l'existence d'effets relativistes dans l'émission des trous noirs (raie de fluorescence du Fer large, variabilité). Je présente des outils numériques pour calculer les effets relativistes (le décalage gravitationnel, la courbure de l'espace-temps) de manière cohérente dans les processus de rayonnement X et gamma autour des trous noirs. Ces codes basés sur des méthodes Monte-Carlo permettent de prendre en compte la dépendance angulaire de l'émission de la source. Les méthodes d'optimisation des codes sont aussi présentées car les temps de calcul peuvent devenir considérablement élevés. Ces outils sont appliqués pour étudier le comportement des photons et des leptons en métrique de Kerr, l'influence de la position de la source par rapport au trou noir et de l'angle d'émission, ainsi que les effets observables sur l'émission d'un disque localisé dans le plan équatorial. Le modèle axisymétrique utilisé comprend une source X en forme d'anneau située au dessus d'un disque d'accrétion autour d'un trou noir en rotation. Les spectres observés sont la superposition de la composante primaire, observée directement de la source, et de la composante réfléchie par le disque. La forme, la normalisation et la dépendance angulaire des deux composantes sont étudiées en faisant varier le rayon de l'anneau et la distance entre la source et le disque. Les effets de la relativité générale sont mis en évidence par comparaison avec les résultats obtenus en métrique Newtonienne et en relativité restreinte. Les réflexions multiples sont prises en compte, pour les photons réfléchis qui retournent vers le disque d'accrétion en raison de la courbure de l'espace, et leur influence quantifiée. Finalement, afin de confronter nos calculs aux observations, nous avons regardé la relation prédite par notre modèle, entre la composante directe et la composante réfléchie, quand la position de la source varie. Les résultats obtenus reproduisent bien les données reportées pour la source NGC4051, et donnent alors des informations sur la variation de la position de la source. J'ai donc démontré que les effets relativistes sont très importants dans la région proche du trou noir et ne peuvent être négligés dans les spectres d'émission à haute énergie. Je montre également comment les outils numériques correspondants (incluant des méthodes d'optimisation) peuvent être incorporés dans les codes de transfert de rayonnement

Cette thèse se compose de deux parties. Une première partie est dédiée à l'étude de phénomènes de diffusions dans des géométries non triviales. Je présente tout d'abord un travail sur les effets des irrégularités de la géométrie d'une surface sur un mouvement brownien galiléen évoluant sur cette surface. Ce problème est susceptible d'applications en biologie, notamment dans la modélisation des phénomènes de diffusions latérales sur des interfaces. J'expose ensuite des travaux réalisés sur des processus stochastiques relativistes. J'introduis d'une part des modèles simples de diffusion dans un univers en expansionet présente des relations de fluctuation-dissipation vérifiées par ces modèles. J'expose d'autre part une approche unifiée des différents processus stochastiques relativistes existant dans la littérature, à savoir, le ROUP, le processus de Franchi-Le~Jan et le processus de Dunkel-Hänggi. Dans une seconde partie, je présente deux applications de la récente théorie champ moyen de la relativité générale. La théorie a été appliquée à un trou noir de Schwarzschild et à un trou noir de Reisner-Nordström extrême. Les caractéristiques de l'espace-temps moyen obtenu dans chacun de ces deux cas sont présentées. Les résultats sont mis en relation avec des observations de trous noirs astrophysiques et avec des observations cosmologiques. Les effets de la moyennisation sur les propriétés thermodynamiques de ces trous noirs sont également étudiés.

Le centre de la Galaxie abrite un trou noir supermassif nommé Sgr A*. Grâce à l'instrument GRAVITY, les capacités de haute résolution angulaire du VLTI permettront pour la première fois l'observation directe de l'environnement immédiat d'un tel trou noir. Pour atteindre ce but astrophysique, il est nécessaire d'obtenir des observables interférométriques de grande précision et d'appliquer des techniques de reconstruction d'images. Dans ce contexte, j'ai pu dans une première partie de ma thèse, employer différentes méthodes d'imagerie interférométrique en infrarouge suite à l'observation de la supergéante rouge Alpha Orionis (Bételgeuse) avec l'interféromètre à trois télescopes IOTA. Ces travaux ont pu notamment conduire à la mise en évidence de structures asymétriques brillantes à la surface de l'étoile qui sont très probablement de nature convective.<br /><br />La précision des observables interférométriques conditionne la qualité de la reconstruction d'image. Dans une deuxième partie, j'ai pu pratiquer une étude des performances interférométriques simulées de GRAVITY afin d'estimer la précision sur les phases et visibilités qu'il délivrera. Afin d'optimiser les futures observations de GRAVITY, il est essentiel d'avoir une idée des caractéristiques spatiales et temporelles de son objectif scientifique majeur qu'est Sgr A*. Pour cela, j'ai pu finalement participer à une campagne d'observation multi-longueurs d'onde de l'environnement de ce trou noir. A cette occasion, j'ai utilisé le mode BURST du spectro-imageur VISIR pour obtenir une haute résolution angulaire et une grande sensibilité au rayonnement de Sgr A*. Ceci m'a conduit à obtenir une limite supérieure la plus basse jamais enregistrée à 8,6 microns. Autre fait marquant, ces observations ont révélé la présence d'un sursaut d'intensité lumineuse en proche infrarouge. Si le processus de rayonnement n'est pas encore parfaitement modélisé, ces observations tendent à confirmer que les sursauts tirent leur origine d'un mouvement orbital de matière à quelques rayons de Schwarzschild de Sgr A*.<br /><br />Grâce à sa précision astrométrique de 10 micro-secondes d'angle, correspondant à un rayon de Schwarzschild à la distance du Centre Galactique, GRAVITY sera en mesure de résoudre le mouvement orbital de ces spots de matière et de comprendre la nature d'un tel rayonnement. De plus, il permettra la mesure directe de la métrique d'espace-temps et l'étude de la relativité générale en champ fort.

La présente thèse porte sur l'étude de plusieurs systèmes binaires X accrétants contenant un trou noir stellaire (avéré ou potentiel) à travers les propriétés spectrales et temporelles de leurs émissions à haute énergie entre 3 keV et 1 MeV, éventuellement agrémentées d'observations dans les domaines radio, proche infrarouge et visible. La première partie est consacrée à la physique de l'accrétion, aux enjeux qu'elle représente et modélisations qui en découlent pour expliquer le rayonnement perçu. Je détaille dans une deuxième partie les instruments à bord d'INTEGRAL dont les trois instruments principaux utilisent les techniques d'imagerie à masque codé. Ensuite, je présente les procédures d'analyses de données avant de montrer mon apport personnel à l'amélioration des logiciels existants et à la création d'outils informatiques spécifiques à mes analyses. Dans une quatrième partie, je présente mes analyses et interprétations sur les observations de plusieurs sources binaires X à trou noir, judicieusement déterminées et choisies : Cygnus X-1, trou noir confirmé persistant étudié depuis de nombreuses années ayant surpris par un excès haute énergie détecté ; deux sources transitoires nouvelles et intéressantes, XTE J1720-318 située dans le centre galactique et SWIFT J1753.5-0127, plus probablement localisée dans le halo. Je détaille ensuite mes analyses sur H 1743-322, identifiée grâce à INTEGRAL avec une source découverte par HEAO en 1977, et sur trois microquasars presque persistants à jets superluminiques, 1E 1740.7-2942, GRS 1758-258 et GRS 1915+105. J'analyse les liens entre les paramètres spectraux et leurs changements lors des transitions entre états. Je discute la présence de deux milieux émetteurs de rayons X/gamma, de géométrie relative changeante. Pour GRS 1915+105, j'établis un cycle probable ordonné dans la succession de ses variabilités pendant dix années et je propose une interprétation compatible avec les prédictions du modèle d'Instabilité d'Accrétion-Ejection. En conclusion, je commente ces résultats spectro-temporels dans le cadre de modèles théoriques expliquant les phénomènes observés et déduis certaines limites à notre compréhension générale des systèmes binaires X. Je décris ce qu'apportent deux nouveaux phénomènes observés et termine par mes perspectives de recherches.