Ce document est constitué de deux parties et de deux annexes . Dans le chap. 1, je parle de la composante nucléaire du rayonnement cosmique galactique, des enjeux astrophysiques et ceux reliés à la matière noire. Le chap. 2 est consacré à l'étude des émissions gamma dues à l'annihilation de matière noire. Le fil conducteur est la recherche indirecte de matière noire, qui passe par la maîtrise du signal et des fonds astrophysiques. Chaque partie propose une introduction du sujet, un état des lieux, une compilation des résultats obtenus et quelques perspectives et directions de recherches à développer pour les années à venir. La conclusion générale revient sur le lien et la complémentarité des particules chargés et neutres et l'articulation de ces deux messagers pour de futures études hors de la Galaxie. L'annexe A présente quelques outils développés utilisés pour ces études et qui ont été rendus publics. L'annexe B, un peu plus personnelle, revient sur mon parcours, mon CV et le rôle que j'ai pu avoir dans l'encadrement d'étudiants de master et de thèse et dans l'animation scientifique.

Les sursauts gamma sont de brefs (' 10 ms-100 s) flashs de photons gamma (keV-MeV), très intenses et très variables. Ils sont suivis d'une émission rémanente, détectée des rayons X à l'optique et aux ondes radio, qui décroît rapidement pour s'éteindre en quelques jours ou semaines. Leur luminosité extrême permet de les détecter jusqu'aux distances cosmologiques (au moins jusqu'à un décalage vers le rouge de 9). Ils sont associés à des jets ultra-relativistes éjectés par une source compacte nouvellement formée. Le sursaut est émis par des processus internes au jet et la rémanence est due au freinage par le milieu environnant. Le satellite Swift, lancé en 2004, a fait progresser notre connaissance de la phase rémanente (en particulier précoce), tandis que le satellite Fermi, lancé en 2008, a ouvert une nouvelle fenêtre spectrale à haute énergie (au dessus de 100 MeV). Mes travaux s'inscrivent dans le contexte de ces avancées observationnelles, dont certaines remettent en cause le " modèle standard " des sursauts gamma établi au cours des années 90. J'ai développé les outils numériques nécessaires pour modéliser de manière cohérente l'ensemble des phases d'émission du jet relativiste depuis sa photosphère jusqu'à sa décélération. A l'aide de ces outils j'ai obtenu plusieurs résultats qui contribuent à une meilleure compréhension de la physique des sursauts. Concernant le sursaut proprement dit, j'ai développé une approche nouvelle pour calculer précisément l'opacité vue par un photon de haute énergie se propageant dans un jet ultra-relativiste. Ceci m'a permis d'obtenir des contraintes importantes sur les conditions physiques dans le jet à partir des résultats de Fermi (facteur de Lorentz en particulier). Je me suis également attaché à identifier des signatures observationnelles permettant de discriminer entre différents modèles d'émission : signatures spectrales (émission optique et gamma de haute énergie, composante thermique) et temporelles (transition avec la rémanence). En ce qui concerne la rémanence, j'ai poursuivi le développement d'un modèle alternatif - le modèle du " choc en retour " - récemment proposé pour expliquer la complexité phénoménologique révélée par Swift. Portant sur les propriétés génériques de la rémanence, mais également sur quelques sursauts singuliers, mes travaux montrent que ce modèle du choc en retour explique plus naturellement que le modèle standard la diversité des comportements observés.

Diffusive shock acceleration operating at expanding supernova remnant shells is by far the most popular model for the origin of galactic cosmic rays. Despite the general consensus received by the model, an unambiguous and conclusive proof of the supernova remnant hypothesis is still missing. In this context, the recent developments in gamma ray astronomy provide us with precious insights into the problem of the origin of galactic cosmic rays, since production of gamma rays is expected both during the acceleration of cosmic rays at supernova remnant shocks and during their subsequent propagation in the interstellar medium. In particular, the recent detection of a number of supernova remnants at TeV energies nicely fits with the model, but it still does not constitute a conclusive proof of it, mainly due to the difficulty of disentangling the hadronic and leptonic contributions to the observed gamma ray emission. The main goal of my research is to search for an unambiguous and conclusive observational test for proving (or disproving) the idea that supernova remnants are the sources of galactic cosmic rays with energies up to (at least) the cosmic ray knee. Our present comprehension of the mechanisms of particle acceleration at shocks and of the propagation of cosmic rays in turbulent magnetic fields encourages beliefs that such a conclusive test might come from future observations of supernova remnants and of the Galaxy in the almost unexplored domain of multi-TeV gamma rays.

Le rayonnement cosmique galactique nucléaire est composé de noyaux de différentes espèces et ses sources sont encore mal identifiées. Cette méconnaissance est en partie due au caractère diffusif de la propagation des noyaux dans les champs magnétiques dont la composante turbulente supprime toute information sur la position des sources. Dans le rayonnement cosmique, on distingue les noyaux pri- maires qui sont principalement créés puis accélérés près de leurs sources des noyaux secondaires, uniquement créés par spallation des primaires plus lourds. La mesure des rapports d'abondance se- condaire sur primaire permet d'étudier les processus de propagation et donc de remonter aux méca- nisme sources du rayonnement cosmique. Cette étude apporte de plus une meilleure compréhension de l'environnement astrophysique galactique. Ce travail nécessite une très bonne connaissance des sections efficaces d'interaction du rayonnement cosmique dans le milieu interstellaire qui régissent la modification des abondances lors de la propagation. La première partie de cette thèse est dédiée à la contrainte des paramètres de propagation du rayonnement cosmique galactique via l'étude des abondances des éléments du quartet (1H,2H,3He,4He). À partir d'une nouvelle estimation des sections efficaces, une analyse statistique a permis de démontrer le potentiel de ces éléments pour contraindre les modèles de propagation du rayonnement cosmique. Ces contraintes restent cependant limitées par la précision statistique des mesures actuelles et justifient la mise en œuvre de nouvelles expériences. La deuxième partie de cette thèse est dédiée à la mesure des abondances avec l'expérience CREAM, une expérience embarquée en ballon. Cette mesure nécessite l'identification des éléments dans le dé- tecteur, le calcul des efficacités des sous-détecteurs, la déconvolution des effets dus aux erreurs sur la mesure de l'énergie ainsi que la prise en compte des effets atmosphériques. Cette analyse des données du 3ième vol de CREAM a permis une estimation des abondances des éléments bore, carbone, azote et oxygène.

L'objectif de cette thèse est la recherche des neutrinos cosmiques de haute énergie émis par des sources ponctuelles avec le télescope á neutrino ANTARES. La détection des neutrinos cosmiques de haute énergie peut apporter des réponses à des problèmes importants comme l'origine des rayons cosmiques et les procédures d'émission des rayons $\gamma$. Dans la première partie de la thèse, le flux des neutrinos émis par des sources galactiques et extragalactiques et le nombre des événements qui peut être détecté par ANTARES sont estimés. Cette étude utilise les spectres des rayons $\gamma$ des sources connues en tenant compte de l'absorption de ces rayons par la lumière extragalactique diffuse. Dans la deuxième partie de la thèse, le pointage absolu du télescope ANTARES est étudié. Étant situé à une profondeur de 2475 m dans l'eau de mer, l'orientation du détecteur est déterminée par un système de positionnement acoustique qui utilise des ondes de basse et haute fréquences entre la surface de la mer et le fond. La troisième partie de la thèse est la recherche des sources ponctuelles de neutrinos avec les données d'ANTARES. L'algorithme de recherche est basé sur une méthode de maximisation du rapport de vraisemblance. Il est utilisé dans deux stratégies de recherche; ''la stratégie de recherche avec des sources candidates'' et ''la stratégie de recherche dans tout le ciel''. L'analyse des données de 2007+2008 n'a pas marqué une découverte. Les meilleures limites supérieures au monde sur les flux de neutrinos provenant des différentes sources dans l'Hémisphère Sud sont établies.

L'un des problèmes les plus intéressants de la physique moderne est celui de la matière noire de l'Univers, qui reste de nature insaisissable. L'existence de la matière noire est inférée par des preuves indirectes telles que les mesures des courbes de rotation des galaxies, des dispersions de vitesse des galaxies dans les amas galactiques et les effets de lentille gravitationnelle. Ces observations fournissent des preuves sur l'existence d'une matière invisible dominant notre Univers. Il n'existe cependant aucune indication claire sur sa nature. Les observations actuelles en font le constituant dominant de l'Univers, par opposition à la matière baryonique "normale". Deux solutions sont proposées pour résoudre ce mystère. La première est basée sur une modification de la loi de la gravité comme dans la dynamique newtonienne modifiée qui pourrait expliquer les divergences entre prédictions et observations de la dynamique des masses dans l'Univers. L'autre idée consiste à proposer l'existence d'une nouvelle particule massive qui n'interagit pas avec la lumière (appelée WIMP pour "Weakly Interactive Massive Particle"), mais pouvant influencer la matière lumineuse par gravité. Plusieurs théories proposent l'existence de telles nouvelles particules. La plus célèbre de ces théories est la supersymétrie, qui est une extension du Modèle Standard de la Physique des Particules. Si l'un des partenaires supersymétriques des bosons neutres est une particule stable et le plus léger de tous les superpartenaires, il devient alors un candidat idéal pour la matière noire. La supersymétrie est en général le cadre le plus favorable pour l'existence de la matière noire.

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.

The IceCube Neutrino Observatory is a cubic kilometre scale detector for high-energy neutrinos above hundreds of GeV produced in Earth’s atmosphere as well as outside our solar system whenever particles are accelerated to ultra-relativistic energies. The prompt atmospheric contribution is a result of the creation of heavy mesons with charm components in the atmosphere. Past studies from IceCube using a maximum likelihood estimation over the whole neutrino energy spectrum always reported a best-fit zero prompt contribution so far [1–5], contrary to theory [6, 7]. In this analysis we tried to measure this prompt atmospheric flux in muon neutrino event data from different IceCube releases. In contrast to past studies we performed a binned least-squares fit of the conventional atmospheric flux from data at low energies and subtracted this fit and an astrophysical flux reported by IceCube to measure a prompt contribution. Due to a lack of statistics and accessible information from data releases, our results are also compatible with a zero prompt contribution.

Axions are one of the best-motivated particles beyond the standard model of particle physics and a promising candidate for dark matter. Through the superradiant instability, axions can extract a significant amount of rotational energy from spinning black holes resulting in dense axion clouds. These axion clouds can imprint themselves on the spin of the black hole and even emit detectable gravitational waves, making them very potent tools in the search for axions. The considerable number of axions present in these clouds can also compensate for the weak coupling between the axion and the standard model particles. However, the interaction between the cloud and the astrophysical plasma that the black hole accretes is often assumed to be negligible. In this thesis, we examine this assumption by studying the interaction between the astrophysical plasma and the axion cloud to determine if it can cause any significant effects.  We find no new gravitational signatures and can conclude that the interaction is not effective enough to halt the evolution of the cloud. Therefore, the main focus of this work is the emitted low-frequency photons that the axions convert into through the interaction. We find that the emission from systems with typical accretion rates can reach up to 10^14 W and is most efficient around fast-spinning stellar black holes that accrete spherically without an accretion disk. However, we conclude that most of this emission will quickly be reabsorbed into the plasma and not cause any detectable signals.  We also study resonant conversion of axions, which can occur when the plasma frequency is comparable to the axion mass. We find that the low accretion rates that enable this are reachable around isolated stellar-mass black holes that travel rapidly through low-density regions of space. In these systems, the luminosity can reach 10^25 W, and possibly even higher if we include stimulation effects. We can, therefore, conclude that a population of fast-traveling isolated black holes can pose a new tool in the search for axions. / Axioner är en av de bäst motiverade partiklarna bortom standardmodellen för partikelfysik och en lovande kandidat för mörk materia. Genom superstrålning kan axioner extrahera en signifikant mängd rotationsenergi från svarta hål vilket kan resultera i täta axionmoln. Dessa axionmoln kan ge avtryck genom deras påverkan på spinnet hos svarta hål och till och med avge detekterbara gravitationsvågor. Detta gör axionmoln till kraftfulla verktyg i sökandet efter axioner. Den stora mängd axioner som dessa moln består av kan också kompensera för den svaga växelverkan mellan axionerna och partiklarna från standardmodellen. Växelverkan mellan molnet och den astrofysikaliska plasmat som det svarta hålet ackumulerar från omgivningen antas ändå ofta vara försumbar. I denna rapport undersöker vi detta antagande genom att studera växelverkan mellan den astrofysikaliska plasmat och axionmolnet för att avgöra om den kan orsaka några observerbara effekter. Vi finner inga nya gravitationella effekter och kan dra slutsatsen att växelverkan inte är tillräckligt effektiv för att påverka utvecklingen av axionmolnet. Därför är huvudfokus i detta arbete utstrålningen av de fotoner som resulterar från växelverkan. Vi finner att emissionen från system med typiska ackretionshastigheter kan nå upp till 10^14 W och är mest effektiv kring svarta hål med låg massa och högt spinn som ackumulerar sfäriskt utan att bilda en ackretionsskiva. Vi drar dock slutsatsen att det mesta av denna emission snabbt kommer att återabsorberas i plasmat och inte orsaka några detekterbara signaler. Vi studerar även konvertering av axioner via resonans, vilket kan inträffa när plasmafrekvensen är jämförbar med massan hos axionerna. Vi finner att de låga ackretionshastigheterna som möjliggör detta kan nås runt isolerade svarta hål som färdas snabbt genom delar av rymden med låg omgivande densitet. I dessa system kan luminositieten nå 10^25 W, och möjligen ännu högre om vi inkluderar stimuleringseffekter. Vi kan därför dra slutsatsen att en population av isolerade svarta hål med hög hastighet kan potentiellt användas i sökandet efter axioner.

<p dir="ltr">Understanding the acceleration of particles responsible for high-energy non-thermal phenomena in astrophysical jets is a ubiquitous pursuit. A possible culprit for non-thermal particle acceleration is turbulence. Specifically in this thesis, I investigate highly magne- tized or relativistic turbulence, where the magnetic energy to enthalpy ratio of the plasma is much greater than one, as a possible high-energy accelerator inside relativistic jets. I do this through three distinct projects. </p><p dir="ltr">My first project [1] (discussed in Section 3) was built upon a recent study of relativistic turbulence from [2], which found that a non-thermal particle equilibrium can be achieved when a plasma is heated via turbulence but allowed to cool radiatively. I extrapolated these results from PIC (Particle-in-Cell) simulations to larger scales and magnetizations, allowing me to encode key microphysical results of PIC simulations into a Fokker-Planck formalism. Combining these results with a single zone model for a blazar jet, I successfully define the underlying particle distribution with the global parameters of the emission region. To test this model, I fit data from 12 sources and successfully constrain key blazar parameters such as magnetization, bulk Lorentz factor, emission region size, and distance from the central engine. </p><p dir="ltr">My second project covers the development and testing of the open-source toolkit Tleco. This code base was used to evolve the Fokker-Planck equation and solve the resultant emission in my first project. Tleco offers efficient algorithms for evolving particle distributions and solving the resultant emission. It is meant to be user-friendly and easily customizable. </p><p dir="ltr">My third project attempts to enhance our understanding of coherent structures in relativistic turbulence. I employ intermittency analysis to establish a link between statistical fluctuations within the plasma and regions of high-energy dissipation. To achieve this, we used first-principle turbulent PIC simulations across a range of magnetizations and fluctuating magnetic field values. By utilizing the statistical fluctuations to determine the fractal dimension of the structures, I then examine their filling fraction and its dependence on magnetization and the fluctuating magnetic field.</p>