Malgré de nombreux efforts tant sur le plan observationnel que théorique, nous ne connaissons que très peu de choses sur la nature des sources X très lumineuses qui n'appartiennent pas au noyau de la galaxie hôte et qui semblent dépasser (ou dépassent) très largement la limite d'Eddington d'un objet de quelques masses solaires. Ce travail présente dans une première partie l'étude multi-longueurs d'onde d'un échantillon de certains de ces objets à travers les observations X des satellites ROSAT et XMM-Newton et les résultats d'observations optiques menées à l'Observatoire de Haute-Provence, à l'ESO et au CFHT. Ces objets ont été étudiés depuis des décennies sans qu'ils aient livré aucun de leurs secrets, et pour la première fois de nombreuses nébuleuses en émission ont été découvertes à proximité de la source X. Et plus encore, une de ces nébuleuses semble être photoionisée par les rayons X ce qui tend à prouver par la même occasion que l'émission X de l'objet dépasse largement la limite d'Eddington d'un objet de quelques dizaines de masses solaires ! Une deuxième partie de ce travail est consacrée à une tâche plus technique qui fut l'écriture d'un programme intégré à une chaîne de traitement automatique des données du satellite européen XMM-Newton.

Cette thèse est consacrée à l'étude des microquasars, des sources binaires de haute énergie appartenant à notre Galaxie, analogues morphologiquement aux quasars, mais sur des échelles de longueur et de masse considérablement inférieures. La première partie concerne l'un des meilleurs représentants des microquasars: GRS 1915+105, découvert par le télescope WATCH/GRANAT, et qui présente des mouvements en apparence superluminiques. Nous avons établi la nature galactique de cette source, située à une distance de 12.5 +/- 1.5 kpc, ainsi que son environnement, à partir des observations millimétriques. Nos observations de cette source dans le domaine infrarouge ont montré qu'elle subissait des variations importantes, de 1 à 2 magnitudes, sur des intervalles de temps variables. Il apparaît que GRS 1915+105 est un système binaire lumineux et de grande masse, dont l'objet compact, certainement un trou noir, est entouré d'un disque d'accrétion optiquement épais. Grâce à un ensemble de campagnes d'observations simultanées à plusieurs longueurs d'onde, nous avons mis en évidence le lien entre les phénomènes d'accrétion et d'éjection de matière se produisant autour de l'objet compact. Ces observations, en établissant le modèle du microquasar, montrent que les analogies morphologiques entre quasars et microquasars sont sous-tendues par des analogies dynamiques et physiques. Enfin, grâce à des observations millimétriques, nous avons analysé l'effet d'éventuelles interactions entre les éjections énergétiques de cette source et le milieu interstellaire environnant. Dans la deuxième partie de cette thèse, j'expose une étude traitant de plusieurs sources de haute énergie, pour lesquelles nous avons identifié et/ou étudié les contreparties infrarouge et radio. Il ressort de cette étude que ce sont les objets compacts, trous noirs ou étoiles à neutrons, dans des systèmes binaires de faible masse, qui subissent les plus grandes variations de luminosité infrarouge.

Cette these a pour objet l'etude de la production d'antiproton dans l'atmosphere. Une parametrisation de la section efficace inclusive pour la production d'antiprotons dans les collisions p+p et p+A est presentee, basee sur les regles de comptage de quarks, la phenomenologie de Regge et l'ajustement aux donnees. Cette parametrisation est en accord avec les donnees experimentales pour une energie incidente du nucleon au moins jusqu'a 24 GeV/n dans le laboratoire. Selon l'analyse de la distribution de la multiplicite moyenne d'antiprotons, cette parametrisation peut etre etendue sa validite jusqu'au moins s^1/2 environ 25 GeV dans le centre de masse. Avec cette parametrisation, le modele des nucleons touches est applique pour obtenir la section efficace de production d'antiprotons lors d'une collision A+A. Le flux atmospherique d'antiprotons aux altitudes des ballons et des satellites est calcule en incluant les protons et heliums cosmiques. Les collisions generees par l'helium contribuent pour environ 30% au flux total d'antiprotons atmospherique. Pour l'etude de l'origine exotique d'antiprotons, par exemple l'annihilation de la matiere sombre supersymetrique (les neutralinos) et l'evaporation des trous noirs primordiaux, les energies incidentes des particules cosmiques jusqu'a E=200 GeV/n contribuent le plus magnifiquement a la production d'antiprotons atmospheriques. Il est montre que le flux atmospherique d'antiprotons utilise pour corriger le flux d'antiprotons au dessus de l'atmosphere est sous-estime dans certains travaux precedents. Dans ce travail, le flux d'antiprotons au dessus de l'atmosphere est donc diminue de 10-15% par rapport au resultat original dans le domaine d'energie E_k> 1 GeV. Une experience de mesure d'antiprotons au sol est proposee pour valider la justesse de la production d'antiprotons calcules par les differents groupes. Les resultats de l'experience BESS 1999 a l'altitude de 2.77 km ont confirme la justesse de ce travail. A l'altitude d'AMS, le flux d'antiprotons mesure par cette experience dans la region polaire est pratiquement exclusivement constitue d'antiprotons cosmiques, avec une composante de seulement 2-3% d'antiprotons atmospheriques. Il est observe que, meme a tres haute altitude, quelques milliers de kilometres par exemple, il existe encore un flux residuel d'antiprotons atmospheriques dont les trajectoires sont tres compliquees et ne peuvent pas etre bien expliquees au moyen des variables habituelles. Finalement, le flux atmospherique de protons dans l'atmosphere est calcule. La deviation entre les calculs et les donnees ainsi que les origines possibles de cette deviation sont discutees.

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.

Cette thèse est dédiée à l'étude de l'analogue du rayonnement de Hawking dans les condensats de Bose-Einstein. Le premier chapitre présente de nouvelles configurations d'intérêt expérimental permettant de réaliser l'équivalent acoustique d'un trou noir gravitationnel dans l'écoulement d'un condensat atomique unidimensionnel. Nous donnons dans chaque cas une description analytique du profil de l'écoulement, des fluctuations quantiques associées et du spectre du rayonnement de Hawking. L'analyse des corrélations à deux corps de la densité dans l'espace des positions et des impulsions met en évidence l'émergence de signaux révélant l'effet Hawking dans nos systèmes. En démontrant une règle de somme vérifiée par la matrice densité à deux corps connexe, on montre que les corrélations à longue portée de la densité doivent être associées aux modifications diagonales de la matrice densité à deux corps lorsque l'écoulement du condensat présente un horizon acoustique. Motivés par des études expérimentales récentes de profils d'onde générés dans des condensats de polaritons en microcavité semi-conductrice, nous analysons dans un second chapitre les caractéristiques superfluides et dissipatives de l'écoulement autour d'un obstacle localisé d'un condensat de polaritons unidimensionnel obtenu par pompage incohérent. Nous examinons la réponse du condensat dans la limite des faibles perturbations et au moyen de la théorie de Whitham dans le régime non-linéaire. On identifie un régime dépendant du temps séparant deux types d'écoulement stationnaire et dissipatif : un principalement visqueux à faible vitesse et un autre caractérisé par un rayonnement de Cherenkov d'ondes de densité à grande vitesse. Nous présentons enfin des effets de polarisation obtenus en incluant le spin des polaritons dans la description du condensat et montrons dans le troisième chapitre que des effets similaires en présence d'un horizon acoustique pourraient être utilisés pour démontrer expérimentalement le rayonnement de Hawking dans les condensats de polaritons.

Au delà de la simple définition formelle d'un trou noir comme solution des équations d'Einstein dans le vide, il existe, comme l'a souligné Kip Thorne, depuis 1971 et l'observation du système binaire Cygnus X1, jusqu'aux hypothèses les plus récentes relatives à l'existence de trous noirs supermassifs au centre de nombreuses galaxies, des indices observationnels confortant leur existence dans l'Univers et motivant ainsi leur étude. En physique, nous le savons, pour obtenir des informations essentielles sur les interactions entre particules fondamentales, atomes, molécules, etc..., ainsi que sur la structure des objets composés, nous devons procéder à des expériences de collision ou plus précisément de diffusion. C'est ce qui constitue précisément l'objet de ce travail de thèse. En effet, en analysant comment un trou noir interagit avec son environnement, nous sommes en droit d'attendre des informations essentielles sur ces ''objets invisibles''. Cette étude sera également très utile pour comprendre, notamment, le signal que l'on devrait recevoir, prochainement, par le biais de la nouvelle génération de détecteurs d'ondes gravitationnelles. Ce travail se concentre donc principalement sur les phénomènes sous-jacents aux processus de diffusion par des trous noirs, i.e. les phénomènes de résonance et d'absorption. Toute l'originalité de cette étude repose sur le fait que nous proposons de nous intéresser à ces phénomènes du point de vue d'une théorie semiclassique dite " théorie du moment angulaire complexe ", mettant ainsi au cœur de la physique des trous noirs les concepts de matrice S ainsi que les techniques relatives aux pôles de Regge, tel que l'a suggéré implicitement Chandrasekhar au milieu des années soixante-dix. Cette approche nous permet de donner une interprétation physique, simple et intuitive, des phénomènes de résonance et d'absorption d'un champ, en l'occurrence d'un champ scalaire, massif ou non, par des trous noirs.

Au long de ce manuscrit de thèse je présenterai des effets non linéaires émergents dans les condensats d'exciton-polaritons spineurs. Après un chapitre d'introduction amenant les notions de bases nécessaires, je me concentrerai dans une première partie sur les défauts topologiques quantifiés par des nombres demi-entiers et discuterai leur stabilité, accélération et nucléation en présence de champs magnétiques effectifs. Nous verrons que ces objets se comportent comme des charges magnétiques manipulables démontrant une analogie fascinante avec les monopoles de Dirac. De manière remarquable nous verrons également que ces objets peuvent être utilisés comme des signaux stables pour sonder la physique d'analogues acoustiques de trous noirs. Dans une seconde partie j'étudierai des structures de basse dimensions. Plus particulièrement, je décrirai la formation de solitons de bande interdite et les oscillations de Bloch des exciton-polaritons dans des microfils comportant des structures périodiques et d'autre part les oscillations Josephson à température ambiante dans des paires de micropilliers couplés.

Mes recherches ont eu pour but principal de trouver des signatures astrophysiques des trous noirs dans les systemes binaires d'étoiles. Comme je le montre dans ce mémoire, les astronomies X et γ semblent bien adaptées pour ces recherches. J'ai donc participé à la définition d'instruments X et γ, tout d'abord dans le cadre de la mission franco-russe Granat/Sigma puis dans celui de la mission de l'Agence Spatiale Européenne Integral. Mon rôle y a été de modéliser aussi précisément que possible la réponse des instruments, grâce à des simulations Monte-Carlo. Dans le cadre de la mission Integral, j'ai aussi contribué à définir et à réaliser les étalonnages au sol du satellite complet (étalonnage " end to end "), et à réaliser avec mon étudiant, Michaël Forot, le logiciel pour traiter les données dites " Compton " du télescope Integral/Ibis. Ces études nous ont permis, mon collègue Olivier Limousin et moi, de déposer un brevet sur une nouvelle γ-caméra permettant l'imagerie 3D de sources radioactives. Grâce aux données γ récoltées par Sigma et Integral, j'ai étudié, avec Marion Cadolle- Bel, les systèmes binaires contenant un trou noir de masse stellaire. Celui-ci accréte la matière de l'étoile compagnon donnant lieu à une émission X et γ, dont le processus d'émission, lié principalement à l'effet Compton sur les électrons chauds du plasma entourant le trou noir, est décrit dans le mémoire. Le résultat majeur de ce travail fut l'observation avec l'observatoire Integral du candidat trou noir, Cygnus X-1, en particulier lors d'un changement d'état en juin 2003 et lors de son éruption de septembre 2006. Enfin, j'ai modélisé la signature X/γ de trous noirs, comme il est décrit au chapitre 4. Cette modélisation s'est faite grâce à un modèle que j'ai développé avec Lev Titarchuk, modèle qui montre que le spectre observé de candidat trou noir peut être expliqué en considérant des photons X faisant un effet Compton inverse sur les électrons tombant en chute libre dans le trou noir. Ce modèle original, basé sur des simulations Monte-Carlo en Relativité Générale, a fait l'objet de plusieurs publications. Nous avons aussi étudié l'élargissement de la raie du fer, une autre signature très connue des trous noirs dans le domaine des X mous. Nous avons montré que cet élargissement pourrait être plutôt dû à la propagation des photons de fluorescence dans un vent, ce qui ne nécessiterait pas la présence d'un trou noir. Cet élargissement pourrait donc être une signature de trous noirs controversée. Dans les années à venir, je continuerai la définition de télescopes nouveaux, en particulier en optimisant les performances du projet d'astronomie spatiale Simbol-X. Ce projet prévoit, par le moyen de deux satellites en formation, d'étendre la technique de focalisation par incidence rasante aux rayons X durs afin d'étudier les phénomènes non thermiques de notre Univers. Je superviserai aussi la conception et la réalisation de l'anticoïncidence de Simbol-X, afin d'obtenir un bruit de fond sur les détecteurs aussi faible que possible. Notre expérience sur Simbol-X pourra aussi nous servir, de manière plus générale, de support aux développements de futures missions X et γ, comme par exemple l'observatoire IXO prévu par la NASA et l'ESA. Les futures observations Integral, d'un autre coté, me permettront d'observer les trous noirs accrétants au MeV, et potentiellement, grâce au mode Compton, de mesurer leur état de polarisation, ce qui n'a encore jamais été fait dans cette gamme d'énergie. Enfin, nous développons avec L. Titarchuk un modèle de création de paires électrons-positrons au voisinage d'un trou noir, qui aura de nombreuses conséquences observationnelles qu'il nous faudra étudier.

La gravité d’Horava brise la symétrie de Lorentz avec l’introduction d’une foliation intrinsèque de l’espace-temps, définie par un champ scalaire, le khronon. Cette foliation privilégiée rend les solutions de trous noirs plus compliquées que celles de la relativité générale, due à l’apparition de nouveaux horizons: un horizon de matière pour les champs de matière; l’horizon de spin-0 pour les excitations scalaires du khronon, l’horizon de spin-2 pour les ondes gravitationnelles; finalement un horizon universel pour des modes instantanés apparaissant dans l’ultraviolet. On étudie des trous noirs en mouvement lent par rapport au référentiel privilégié. Ces solutions sont cruciales pour déterminer les susceptibilités des trous noirs et prédire leur émission d’ondes gravitationnelles, en particulier l’émission dipolaire des binaires de trous noirs. On trouve que pour des valeurs arbitraires des constantes de couplage, les trous noirs en mouvement lent souffrent de singularités de courbure à l’horizon universel. Des singularités à l’horizon de spin-0 sont aussi présentes mais peuvent être absorbées si l’on sacrifie les solutions plates à l’infini. Cependant, on a trouvé un sous-ensemble de l’espace de paramètres, de dimension un, où les trous noirs en mouvement lent sont partout réguliers et coincident avec ceux de la relativité générale. En particulier, ils n’émettent pas de radiation dipolaire. Remarquablement, ce sous-ensemble est favorisé par les contraintes récentes de l’événement GW170817 ainsi que les tests dans le système solaire. / Horava gravity breaks Lorentz symmetry by introducing a preferred spacetime foliation, which is defined by a timelike dynamical scalar field, the khronon. The presence of this preferred foliation makes black hole solutions more complicated than in General Relativity, with the appearance of multiple distinct event horizons: a matter horizon for matter fields; a spin-0 horizon for the scalar excitations of the khronon; a spin-2 horizon for tensorial gravitational waves; and even a universal horizon for instantaneously propagating modes appearing in the ultraviolet. We study how black hole solutions in Horava gravity change when the black hole is allowed to move with low velocity relative to the preferred foliation. These slowly moving solutions are a crucial ingredient to compute black hole sensitivities and predict gravitational wave emission (and particularly dipolar radiation) from the inspiral of binary black hole systems. We find that for generic values of the theory's three dimensionless coupling constants, slowly moving black holes present curvature singularities at the universal horizon. Singularities at the spin-0 horizon also arise unless one waives the requirement of asymptotic flatness at spatial infinity. Nevertheless, we find that in a one-dimensional subset of the parameter space of the theory's coupling constants, slowly moving black holes are regular everywhere, even though they coincide with the general relativistic ones (thus implying in particular the absence of dipolar gravitational radiation). Remarkably, this subset of the parameter space essentially coincides with the one selected by the recent constraints from GW170817 and by solar system tests.

Depuis sa formulation au début du 20ème siècle, la théorie de la Relativité Générale a été vérifiée avec une précision sans cesse croissante. Cette théorie prédit, entre autre, l'existence d'ondes gravitationnelles qui restent à ce jour inobservées, et ce malgré de nombreuses tentatives de détections. Ces ondes sont caractérisées par leur absence de masse. Une des questions qui se pose alors est de savoir si cette absence de masse est une condition nécessaire pour que théorie et observations concordent. Pour répondre à cette question, il est indispensable d'étudier les différents aspects des théories décrivant des ondes gravitationnelles massives. Au-delà de cet intérêt purement théorique, l'étude de ces théories est, entre autre, motivée par de récentes observations cosmologiques. Celles-ci indiquent que l'accord entre la Relativité Générale et les observations n'est possible que si on suppose l'existence de matière et d'énergie noires.<p><p>Cette thèse est dédiée à une classe de théories décrivant des ondes gravitationnelles massives. Dans un premier temps, nous résumons les différents problèmes qui surgissent lorsqu'on tente de donner une masse aux ondes gravitationnelles. Ensuite, nous introduisons une classe de modèles et étudions certaines de leurs caractéristiques.<p><p>Le premier aspect étudié concerne l'existence d'une interaction de type instantanée. De telles interactions sont possibles étant donné que l'invariance de Lorentz est spontanément brisée dans les modèles considérés. Celles-ci sont dès lors discutées et un exemple concret est fourni.<p><p>La présence d'une interaction instantanée dans ces modèles a une conséquence directe sur les solutions "trous noirs" des équations du champ. En effet, on s'attend à ce que l'interaction instantanée puisse propager de l'information à l'extérieur d'un trou noir, ce qui entraînerait une modification de ces solutions par rapport à celles de la Relativité Générale. Cette supposition est confirmée par les solutions "trous noirs" obtenues dans cette thèse. Celles-ci peuvent soit imiter une certaine quantité de matière noire, soit conduire à un champ gravitationnel répulsif.<p><p>Finalement, les mécanismes de formation des grandes structures de l'Univers (galaxies, amas de galaxies, ) sont étudiés pour les théories considérées. Cette dernière discussion démontre que ces modèles reproduisent le comportement prévu par la Relativité Générale et sont, par conséquent, en accord avec les observations. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished