Ce manuscrit résume les travaux entrepris par l'auteur dans le domaine de l'exploration du ciel gamma.

La thèse présentée ici concerne la recherche et l'étude de jeunes vestiges de supernova à partir des observations menées avec l'instrument IBIS/ISGRI à bord du satellite européen gamma INTEGRAL. Ce travail de recherche porte sur deux thèmes principaux que sont<br />la nucléosynthèse et l'accélération de particules. Le premier thème est abordé par l'étude des raies émises lors de la décroissance radioactive du 44Ti, élément à courte durée de vie (Tau ~ 86 ans) exclusivement produit aux premiers instants du phénomène de supernova, et le deuxième par l'étude de l'émission continue non-thermique sous-jacente, preuve<br />observationnelle de l'accélération de particules au sein des vestiges de supernova. <br /><br />Le manuscrit est divisé en quatre parties. La première partie porte sur une présentation générale des<br />supernovae des points de vue observationnel et théorique. La deuxième partie décrit le satellite INTEGRAL et les principaux instruments à bord, les méthodes d'imagerie et de détection avec l'instrument IBIS/ISGRI, ainsi que mon investissement personnel sur<br />le développement d'outils spécifiques liés à l'analyse de données : la correction en énergie des évènements, cruciale pour l'étude des raies gamma comme celles issues de la décroissance du 44Ti, la recherche des pixels bruyants, importante pour l'étude de l'émission non-thermique à basse énergie autour de 20 keV,<br />la création de cartes de fond mesuré sur IBIS/ISGRI, et la mise en place d'une chaine de traitement alternative. Je présente également une méthode pour estimer le flux et la significativité d'une source étendue observée par un instrument à masque codé comme IBIS/ISGRI, ainsi qu'une première application de cette méthode sur l'amas de Coma. Les résultats obtenus sur les vestiges des<br />supernovae historiques tels que Cassiopeia A, Tycho, et Vela Junior sont exposés dans la troisième partie. Le premier chapitre de la dernière partie pose la problématique des jeunes vestiges de supernova manquants et présente une étude de la détectabilité des<br />supernovae dans le domaine visible, à partir d'un modèle d'extinction interstellaire galactique. Le deuxième chapitre rapporte les résultats de la recherche de jeunes vestiges de supernova dans le plan galactique par l'intermédiaire des raies de décroissance du 44Ti ainsi que par une approche multi-longueur d'onde, du domaine radio (VLA) à la nouvelle fenêtre d'observation au TeV (HESS). Je discusse également les contraintes apportées sur la fréquence des explosions et sur les<br />taux de production de cet élément, vis-à-vis des observations IBIS/ISGRI et de l'abondance solaire du 44Ca.

Le Gamma Large Array Space Telescope (GLAST), d es septembre 2007, observera les rayons entre 100 MeV et 300 GeV. Leur direction est mesurée par un trajectographe en couches à pistes de Si, leur énergie par un calorimètre rendu hodoscopique gr^ ace a la disposition de ses barreaux de CsI(Tl). Pesant près de deux tonnes, une structure en fibres de carbone rigidifiée par de l'époxy les soutient pour les protéger durant l'envol. Dans un barreau, un signal crée par un dépôt d'énergie est attenue en fonction de la distance parcourue. Un système de lecture compose d'une double diode a chaque extrémité permet alors de mesurer l'énergie déposée et sa position moyenne. Sur Terre, la calibration s'effectue grâce aux muons cosmiques. Un rayon interagit en créant une gerbe électromagnétique. Les contraintes spatiales sur la conception du calorimètre font que seule une fraction de l'énergie y aboutit, ce en fonction de l'énergie, l'orientation et la proximité aux parois de la gerbe. L'énergie (E) est reconstruite en optimisant, en fonction de ces paramètres, un estimateur base sur l'énergie mesurée dans le calorimètre (Q) et des observables réduisant la variance de Q car anti corrélées a celle-ci a Exe. L'algorithme de reconstruction procède à un maximum de vraisemblance sur cet estimateur. Les rayons extragalactiques peuvent initier des cascades électron-photon sur le fond de photons. Les spectres observes dépendent de l'atténuation des rayons, permettant en retour une mesure du fond infrarouge, et de l'émission de leurs cascades. Une signature spectrale du champ magnétique extragalactique est alors perceptible.

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.

Les sursauts gamma sont des sources astrophysiques parmi les plus brillantes du ciel. Dans le modèle standard actuel, leur émission prompte (X et gamma) est due à des particules chargées accélérées au sein de jets relativistes émis à la formation de trous noirs de masses stellaire. L'émission rémanente observée de la radio aux X serait due à l'interaction de ces jets avec le milieu interstellaire. Le LAT, détecteur à création de paire du télescope spatial Fermi, permet depuis juin 2008 l'étude du ciel gamma de 20 MeV à plus de 300 GeV avec des performances inégalées. Le GBM, détecteur de sources transitoires de Fermi (8 keV à 40 MeV) a observé ~450 sursauts gamma, dont ~18 ont été observés jusqu'au domaine du GeV. Une localisation précise de ces sursauts et la synergie de Fermi avec les autres observatoires permettent l'étude des rémanences associées et une meilleure interprétation des observations. L'étude de sursauts gamma de 8 keV au domaine du GeV est présentée. Les localisations obtenues avec le LAT sont étudiées ainsi que leurs erreurs. Des analyses spectrales des émissions promptes combinant les données du GBM et du LAT sont exposées, ainsi que leur interprétation. Une analyse alternative basée sur une sélection relâchée des données LAT est présentée et caractérisée. L'utilisation des événements d'énergies inférieures à 100 MeV améliore l'analyse temporelle et spectrale des émissions promptes. La recherche d'émission gamma prolongée est présentée, ainsi que l'étude de l'émission rémanente de GRB 090510 observé des UV au GeV par Fermi et Swift. Enfin, un modèle d'émission prompte par les chocs internes, développé à l'IAP, est comparé aux observations de Fermi. / Gamma-Ray Bursts (GRB) are among the brightest gamma-ray sources in the sky. The current standard framework associates their prompt gamma-ray emission to charged particles accelerated in relativistic jets issued by newly-formed stellar-mass black holes. The radio to X-ray afterglow emission is due to the interaction between these jets and the interstellar medium.The LAT, pair-creation instrument onboard Fermi gamma-ray space telescope, performs unprecedented observation of the gamma-ray sky at energies of 20 MeV to over 300 GeV since its launch in june 2008. Fermi's transient sources detector, GBM, observed prompt emissions of ~450 GRB between 8 keV and 40 MeV. ~18 of these GRB were also studied up to GeV energies with the LAT. Accurate GRB localizations and Fermi's synergy with other observatories allows the study of GRB afterglows, and therefore a better interpretation of these observations.The analyses of GRB emissions between 8 keV to GeV energies is presented here. Localizations based on LAT data and their biases are studied. Spectral analyses of combined GBM and LAT data are shown, and their theoretical interpretations explained.An alternative analysis based on a relaxed selection of LAT data is presented and fully characterized. It allows to recover and use low-energy LAT statistics in temporal and spectral analyses of GRB prompt emission.Searches for long-lived high-energy emission from GRB are presented. The analysis of GRB 090510 afterglow emission from eV to GeV energies is described.Finally, Fermi bright GRB prompt emissions are compared to an internal shock model developed at IAP.

L'astronomie de haute énergie se concentre sur l'étude des phénomènes les plus violents de l'univers à partir d'observations dans une gamme d'énergie allant des rayons X aux rayons gammas de très hautes énergies (1 keV - 100 TeV). Ces phénomènes incluent par exemple les explosions de supernovae et leurs vestiges, les pulsars et les nébuleuses de vent de pulsar ou encore la formation de jets ultrarelativistes au niveau des noyaux actifs de galaxie. Leur compréhension fait appel à des processus de physique des particules bien connus qui seront décrits dans cette thèse. Par l'intermédiaire de photons de haute énergie, l'étude de ces phénomènes de haute énergie ouvre donc une fenêtre originale pour la recherche de physique au delà du modèle standard. Les concepts relatifs à l'émission et la propagation de photons de haute énergie sont introduits dans cette thèse et appliqués à l'étude de l'émission de sources extragalactiques ainsi que du fond de lumière extragalactique, affectant la propagation des photons de haute énergie dans l'univers. Dans le cadre de cette thèse, ces sources extragalactiques de photons de haute énergie sont observées afin de rechercher de nouveaux bosons légers, tels que ceux appartenant à la famille des particules de type axion (PTA). Les bases théoriques décrivant cette famille de particules sont présentées, ainsi que la phénoménologie associée. Notamment, en raison de leur couplage à deux photons, ces particules ont la propriété d'osciller avec des photons en présence de champ magnétique externe. Une nouvelle signature de la présence de telles oscillations dans des champs magnétiques turbulents, sous la forme d'irrégularités stochastiques dans le spectre en énergie, est étudiée et discutée. Cette signature est appliquée à la recherche de PTA avec le réseau de télescopes HESS, permettant d'obtenir pour la première fois des contraintes sur ces modèles à partir d'observations en astronomie gamma. La recherche de la même signature dans des observations en rayons X permet d'améliorer les contraintes actuelles pour les PTA de très basse masse et l'extension de ces contraintes à des modèles de modification de la gravité comme explication de la nature de l'énergie noire est également évoquée. Enfin, la recherche de PTA avec l'instrument d'astronomie gamma du futur, CTA, est discutée; en particulier, une nouvelle observable est proposée qui tire partie du grand nombre de sources attendu avec cet instrument. / High-Energy astronomy studies the most violent phenomena in the universe with observations in a large spectrum of energies ranging from X rays to very high energy gamma rays (1 keV - 100 TeV). Such phenomena could be for instance supernovae explosions and their remnants, pulsars and pulsar wind nebulae or ultra relativistic jets formation by active galactic nuclei. Understanding these phenomena requires to use well-known particle physics processes. By means of high energy photons, studying such phenomena enables one to search for physics beyond the standard model. Concepts regarding the emission and propagation of high-energy photons are introduced and applied to study their emission by extragalactic sources and to constrain the extragalactic background light which affects their propagation. In this thesis, these high-energy extragalactic emitters are observed in order to search for new light bosons such as axion-like particles (ALPs). The theoretical framework of this family of hypothetical particles is reviewed as well as the associated phenomenology. In particular, because of their coupling to two photons, ALPs oscillate with photons in an external magnetic field. A new signature of such oscillations in turbulent magnetic fields, under the form of stochastic irregularities in the source energy spectrum, is introduced and discussed. A search for ALPs with the HESS telescopes with this new signature is presented, resulting in the first constraints on ALPs parameters coming from high-energy astronomy. Current constraints on ALPs at very low masses are improved by searching for the same signature in X-ray observations. An extension of these constraints to scalar field models for modified gravity in the framework of dark energy is then discussed. The potential of the search for ALPs with CTA, the prospected gamma-ray astronomy instrument, is eventually studied; in particular, a new observable is proposed that relies on the high number of sources that are expected to be discovered with this instrument.

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.

Cette thèse présente le domaine de l'astronomie gamma et les principales sources de notre Galaxie (pulsars et SNRs) et celles situées à des distances cosmologiques (noyaux actifs de galaxie). La technique Cerenkov permet aux observatoires au sol de détecter des rayons gamma d'énergie du GeV absorbés dans l'atmosphère après avoir développé une cascade électromagnétique. Le projet CELESTE a atteint le but d'un seuil bas de 30 GeV, utilisant une grande surface de collection de l'ancienne centrale solaire de Thémis (Pyrénées Orientales). Une étude des principaux éléments du dispositif - un système de déclenchement mixte analogique-digital et un échantillonnage à haute fréquence du signal enregistré en plusieurs points du champ - représente la partie essentielle de cette thèse. Le code développé pour la simulation de la chaîne électronique de l'expérience a été vérifié profondément en faisant des comparaisonsavec les données réelles.<br> L'incertitude de la calibration en amplitude et de la mise-en-temps pour le déclenchement se traduit en erreurs sur la détermination du seuil en énergie et la surface effective. Les sources des biais éventuels sont étudiées (sur les différents points de la chaîne de simulation). Ces considérations sont appliquées aux observations de la Nébuleuse de Crabe, détectée par CELESTE déjà en 2000.

CELESTE est un échantillonneur Cerenkov basé sur la reconversion de la centrale solaire de Thémis, située dans les Pyrénées-Orientales : les miroirs de la centrale permettent de recueillir la lumière Cerenkov des gerbes atmosphériques initiées par les rayons. Conçue dans le courant des années 90, cette expérience devait couvrir le domaine en énergie compris entre 30 et 300 GeV, permettant de faire le pont entre les satellites et les imageurs Cerenkov. Depuis l'année 2000, ce fut chose faite avec la détection de la nébuleuse du Crabe, puis du noyau actif de galaxie Markarian 421. Cette thèse présente le travail accompli depuis pour accroître la sensibilité de notre instrument tant par l'étude du détecteur que la conception d'une analyse originale. Malgré les conditions climatiques très difficiles pour l'observation, une nouvelle détection de la nébuleuse du Crabe est ici présentée, validant le principe de notre nouvelle analyse. Ce manuscrit se conclut sur l'étude des données provenant de deux noyaux actifs de galaxies, Markarian 421 et 1ES1426+428.

CELESTE est un échantillonneur Cerenkov basé sur la reconversion de la centrale solaire de Thémis, située dans les Pyrénées-Orientales : les miroirs de la centrale permettent de recueillir la lumière Cerenkov des gerbes atmosphériques initiées par les rayons.<br />Conçue dans le courant des années 90, cette expérience devait couvrir le domaine en énergie compris entre 30 et 300 GeV, permettant de faire le pont entre les satellites et les imageurs Cerenkov.<br />Depuis l'année 2000, ce fut chose faite avec la détection de la nébuleuse du Crabe, puis du noyau actif de galaxie Markarian 421.<br />Cette thèse présente le travail accompli depuis pour accroître la sensibilité de notre instrument tant par l'étude du détecteur que la conception d'une analyse originale. Malgré les conditions climatiques très difficiles pour l'observation, une nouvelle détection de la nébuleuse du Crabe est ici présentée, validant le principe de notre nouvelle analyse. Ce manuscrit se conclut sur l'étude des données provenant de deux noyaux actifs de galaxies, Markarian 421 et 1ES1426+428.