La Collaboration ANTARES exploite actuellement un détecteur sous-marin Che-renkov dédié à l'astronomie neutrino de haute énergie. Le but principal de cette expérience est de détecter les sources cosmiques de neutrinos, afin de révéler les sites de production des rayons cosmiques. Parmi les sources candidates figurent celles où a lieu l'accélération de ces rayons cosmiques dans les jets relativistes, comme les noyaux actifs de galaxie, les sursauts gamma et les microquasars. Les microquasars sont des systèmes stellaires binaires formés par un objet compact accrétant la matière d'une étoile compagnon. Ce transfert de masse est responsable de l'émission de rayons X, tandis que les forces magnétiques du plasma d'accrétion peuvent causer la création de jets relativistes qui sont observés par des télescopes radio grâce au rayonnement synchrotron non thermique émis par les particules chargées accélérées dans ces jets. Dans certains systèmes, la corrélation entre les courbes de lumière des rayons X et les courbes radio indique une interaction forte entre accrétion et éjection. Certains microquasars émettent également des rayons gamma de haute et très haute énergie (jusqu'à quelques dizaines de TeV). Dans ce travail de thèse, une recherche d'émission de neutrinos provenant de microquasars a été conduite avec une approche multi-messager (photon/neutrino). Les données des satellites RXTE/ASM et SWIFT/BAT, ainsi que du télescope gamma FERMI/LAT ont été étudiées afin de sélectionner les périodes dans lesquelles se produisent les jets relativistes. / The ANTARES collaboration has successfully built, deployed and is currently operating an underwater Cherenkov detector dedicated to high energy neutrino astronomy. The primary aim of the experiment is to detect cosmic sources of neutrinos in order to reveal the production sites of cosmic rays. Among the sources likely to be significant sources of neutrinos are those accelerating relativistic jets, like gamma ray bursts, active galactic nuclei and microquasars. Microquasars are binary systems formed by a compact object accreting mass from a companion star. The mass transfer causes the emission of X-rays, whereas the onset of magnetic forces in the accreting plasma can cause the acceleration of relativistic jets, which are observed by radio telescopes via their non-thermal synchrotron emission. In some systems, a correlation between X-ray and radio light curves indicates an interplay between accretion and ejection respectively. Some microquasars are also high energy and very high energy gamma ray emitters. In this thesis, a time dependent search for neutrino emission from microquasars was performed with a multi-messenger approach (photon/neutrino). The data from the X-ray monitors RXTE/ASM and SWIFT/BAT, and the gamma-ray telescope FERMI/LAT were used to select transient events in which the source was supposed to accelerate relativistic jets. The restriction of the analysis to the ejection periods allows a drastic reduction of atmospheric muon and neutrino background, and thus to increase the chances of a discovery. The search was performed with the ANTARES data taken between 2007 and 2010.

Quatre sources de rayons gamma ont été associées à des systèmes binaires dans notre galaxie: le microquasar Cygnus X-3 et les binaires gamma LS I +61°303, LS 5039 et PSR B1259-63. Ces systèmes sont composés d'une étoile compagnon massive et d'un objet compact de nature inconnue, sauf dans PSR B1259-63 où un pulsar jeune a été détecté. Je propose ici un modèle théorique complet pour expliquer l'émission et la variabilité gamma de haute énergie dans les binaires émettant en gamma. Dans ce modèle, le rayonnement de haute énergie est produit par la diffusion Compton inverse des photons stellaires sur des paires électron-positron ultrarelativistes injectées par un pulsar jeune dans les binaires gamma et dans un jet relativiste dans les microquasars. La modulation du flux TeV dans LS 5039 est bien reproduite en combinant les effets d'émission, d'absorption et du recyclage de l'émission par une cascade de paires. Néanmoins, ce modèle ne permet pas d'expliquer l'émission gamma dans LS I +61°303 et PSR B1259-63. D'autres processus doivent dominer dans ces systèmes plus complexes. Dans Cygnus X-3, le rayonnement gamma peut être reproduit de manière convaincante avec l'émission Compton amplifiée Doppler de paires dans un jet relativiste. Les binaires gamma et les microquasars offrent un environnement nouveau permettant l'étude des vents de pulsar et des jets relativistes à de très petites échelles spatiales.

Astrophysikalische Jets sind stark kollimierte Materieströmungen hoher Geschwindigkeit. Sie stehen im Zusammenhang mit einer Fülle verschiedener astrophysikalischer Objekte wie jungen Sternen, stellaren schwarzen Löchern ('Mikro-Quasare'), Galaxien mit aktivem Kern (AGN) und wahrscheinlich auch mit dem beobachteten intensiven Aufblitzen von Gamma-Strahlung (Gamma Ray Bursts). Insbesondere hat sich gezeigt, dass die Jets der Mikro-Quasare wahrscheinlich als kleinskalige Version der Jets der AGN anzusehen sind. <br /> <br /> Neben den Beobachtungen haben vor allem auch theoretische Überlegungen gezeigt, dass Magnetfelder bei der Jetentstehung, -beschleunigung und -kollimation eine wichtige Rolle spielen. Weiterhin scheinen Jets systematisch verknüpft zu sein mit dem Vorhandensein einer Akkretionsscheibe um das zentrale Objekt. Insbesondere wenn ein schwarzes Loch den Zentralkörper darstellt, ist die umgebende Akkretionsscheibe der einzig mögliche Ort um Magnetfeld erzeugen zu können. <br /> <br /> Wir sind speziell interessiert am Entstehungsprozess hoch relativistischer Jets wie sie bei Mikro-Quasaren und AGN beobachtet werden. Insbesondere untersuchen wir die Region, in der der Jet kollimiert, eine Region, deren räumliche Ausdehnung extrem klein ist selbst im Vergleich zur Auflösung der Radioteleskope. Dies ist ein Grund, wieso zum heutigen Zeitpunkt für die meisten Quellen die theoretische Modellierung die einzige Möglichkeit darstellt, um Information über die physikalischen Prozesse in der innersten Region der Jetentstehung zu erhalten. <br /> <br /> Uns ist es zum ersten Mal gelungen, die globale zwei-dimensionale Magnetfeldstruktur stationärer, axialsymmetrischer, relativistischer und stark magnetisierter (kräfte-freier) Jets zu berechnen, die zum einen asymptotisch in einen zylindrischen Jet kollimieren, zum anderen aber in einer differential rotierenden Akkretionsscheibe verankert sind. Damit erlaubt dieser Ansatz eine physikalische Verkn&#168;upfung zwischen Akkretionsscheibe und dem asymptotischen Jet. Nimmt man also an, dass die Fußpunkte der Magnetfeldlinien mit Keplergeschwindigkeit rotieren, so kann man eine direkte Skalierung der Jetmagnetosphere mit der Größe des Zentralobjektes erhalten. Unsere Resultate zeigen eine gute Übereinstimmung zwischen unserem Modell und Beobachtungen des Jets von M87. <br /> <br /> Für das Beispiel eines relativistischen Mikroquasarjets haben wir die Röntgenemission im Bereich von 0.2-10.1 keV berechnet. Dafür haben wir in der Literatur aus den relativistischen magnetohydrodynamischen Gleichungen berechnete Jetgrößen (Dichte-, Geschwindigkeits-, und Temperaturprofil) verwendet und das Spektrum für jeden Punkt entlang der Jetströmung abgeleitet. Das theoretische thermische Röntgenspektrum des innersten, heißen Teils des Jets erhalten wir zusammengesetzt aus den spektralen Anteilen der einzelnen Volumenelemente entlang des Jets. Um relativistische Effekte wie Dopplerverschiebung und -verstärkung (boosting) aufgrund der Jetbewegung zu untersuchen, haben wir für verschiedene Inklinationswinkel des Jets zur Sichtlinie berechnet, wie die erhaltenen Spektren davon beeinflusst werden. <br /> <br /> Unsere Spektren zeigen deutlich die hochionisierten Eisen-Emissionslinien, die in den galaktischen Mikroquasaren GRS 1915+105 und XTE J1748-288 andeutungsweise beobachtet wurden.<br /> Eine Dopplerverschiebung dieser Linien ist in unseren Spektren deutlichzu sehen. Da die innerste, Röntgenstrahlung emittierende Region des magnetohydrodynamischen Jets allerdings noch unkollimiert ist, spielt Dopplerboosting in unseren Spektren, abhängig vom Sichtwinkel, keine große Rolle. Mit unseren Resultaten konnte zum ersten Mal ein Röntgenspektrum gewonnen werden, das auf der numerischen Lösung eines magnetohydrodynamischen Jets beruht. / Jets are highly collimated flows of matter. They are present in a large variety of astrophysical sources: young stars, stellar mass black holes (microquasars), galaxies with an active nucleus (AGN) and presumably also intense flashes of gamma-rays. In particular, the jets of microquasars, powered by accretion disks, are probably small-scale versions of the outflows from AGN. <br /> <br /> Beside observations of astrophysical jet sources, also theoretical considerations have shown that magnetic fields play an important role in jet formation, acceleration and collimation. Collimated jets seem to be systematically associated with the presence of an accretion disk around a star or a collapsed object. If the central object is a black hole, the surrounding accretion disk is the only possible location for a magnetic field generation. <br /> <br /> We are interested in the formation process of highly relativistic jets as observed from microquasars and AGN. We theoretically investigate the jet collimation region, whose physical dimensions are extremely tiny even compared to radio telescopes spatial resolution. Thus, for most of the jet sources, global theoretical models are, at the moment, the only possibility to gain information about the physical processes in the innermost jet region.<br /> <br /> For the first time, we determine the global two-dimensional field structure of stationary, axisymmetric, relativistic, strongly magnetized (force-free) jets collimating into an asymptotically cylindrical jet (taken as boundary condition) and anchored into a differentially rotating accretion disk. This approach allows for a direct connection between the accretion disk and the asymptotic collimated jet. Therefore, assuming that the foot points of the field lines are rotating with Keplerian speed, we are able to achieve a direct scaling of the jet magnetosphere in terms of the size of the central object. We find a close compatibility between the results of our model and radio observations of the M87 galaxy innermost jet.<br /> <br /> We also calculate the X-ray emission in the energy range 0.2--10.1,keV from a microquasar relativistic jet close to its source of 5 solar masses. In order to do it, we apply the jet flow parameters (densities, velocities, temperatures of each volume element along the collimating jet) derived in the literature from the relativistic magnetohydrodynamic equations. We obtain theoretical thermal X-ray spectra of the innermost jet as composition of the spectral contributions of the single volume elements along the jet. Since relativistic effects as Doppler shift and Doppler boosting due to the motion of jets toward us might be important, we investigate how the spectra are affected by them considering different inclinations of the line of sight to the jet axis. <br /> <br /> Emission lines of highly ionized iron are clearly visible in our spectra, probably also observed in the Galactic microquasars GRS 1915+105 and XTE J1748-288. The Doppler shift of the emission lines is always evident. Due to the chosen geometry of the magnetohydrodynamic jet, the inner X-ray emitting part is not yet collimated. Ergo, depending on the viewing angle, the Doppler boosting does not play a major role in the total spectra. This is the first time that X-ray spectra have been calculated from the numerical solution of a magnetohydrodynamic jet.

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Introduction:<br />Dans ce chapitre d'introduction je décris les caractéristiques générales, la formation et l'évolution des différentes familles de systèmes binaires de haute énergie, ainsi que le contexte général dans lequel s'inscrit ma recherche. Je finis par les grandes questions actuelles, et par la description de l'originalité de mes travaux de recherche. <br /><br />Microquasars: <br />Je présente un exposé synthétique de la recherche passée, présente et future sur les microquasars et les jets, et je vais montrer que les microquasars, c'est-à-dire les sources galactiques présentant des jets, sont parmi les meilleurs laboratoires d'étude des phénomènes de haute énergie et de physique des particules. Je vais tout d'abord rappeler l'analogie avec les quasars, puis je me concentrerai sur l'un des meilleurs représentants des microquasars, probablement l'archétype: l'astre GRS 1915+105. Je présenterai les phénomènes d'accrétion et d'éjection s'y produisant, en montrant que seule une approche multi-longueur d'onde permet une meilleure compréhension des phénomènes ayant lieu au sein de ces sources. Puis, je présente les jets à différentes échelles: les jets compacts, les jets à large échelle, ainsi que les interactions entre les éjections et le milieu environnant. Je finis cet exposé en montrant que les microquasars sont de bons candidats pour être des astres émetteurs d'astroparticules: photons de très haute énergie, rayons cosmiques et neutrinos. <br /><br />Sources INTEGRAL: <br />Un nouveau type de sources de rayons X a été découvert par l'observatoire INTEGRAL, dont la nature est révélée par des observations multi-longueurs d'onde. Parmi ces systèmes binaires de haute énergie, deux classes distinctes apparaissent. La première classe est constituée d'astres de haute énergie intrinsèquement obscurcis, dont IGR J16318-4848 semble être un représentant extrême. La seconde classe est peuplée d'astres nommés ``Transitoires rapides de rayons X à supergéante'' (``Supergiant Fast X-ray Transients'', SFXTs), dont IGR J17544-2619 semble être l'archétype. Je décris d'abord dans ce chapitre des observations en rayons X permettant une localisation précise de sources INTEGRAL, avant de présenter une étude multi-longueurs d'onde, en me focalisant sur les observations de l'optique à l'infrarouge moyen, d'un échantillon d'une vingtaine de sources INTEGRAL, incluant IGR J16318-4848 et IGR J17544-2619. Cette étude consiste tout d'abord en une astrométrie précise, une photométrie et une spectroscopie en optique et en infrarouge proche de ces objets, montrant la prédominance des systèmes binaires de grande masse contenant des supergéantes. Puis, je montre que dans le cas des sources obscurcies IGR J16318-4848, IGR J16195-4945 et IGR J16358-4726, les observations en infrarouge moyen suggèrent la présence de matériau absorbant (poussière et/ou gaz froid) entourant le système binaire dans son ensemble. Ce chapitre se termine par une discussion sur la nature des sources INTEGRAL en général, et de la distinction entre sources absorbées et SFXTs. <br /><br />Conclusion:<br />Ce qui a été accompli dans la compréhension des systèmes binaires de haute énergie, ce qu'il reste à faire dans ce domaine, et les questions importantes qui nécessitent d'être résolues, et qui vont occuper mon temps dans les années à venir... Ce chapitre est divisé en trois parties. Dans la première, j'aborde les questions liées aux population de sources Galactiques prises en tant que tout, et comment elles peuvent permettre de mieux comprendre les systèmes binaires de haute énergie. Dans la deuxième, je me concentre sur l'étude de la formation et de l'évolution des systèmes binaires de haute énergie en tant que tels, et sur les phénomènes présents dans ces systèmes. Dans la troisième, je détaille un projet qui me tient à coeur, et qui regroupe les deux précédents: la distinction entre progéniteurs d'étoiles à neutron et de trous noirs.

Cette HDR est dédiée à l'études des binaires X et de leurs propriétés. Je me penche plus particulièrement sur l'étude d'une famille de systèmes récemment mise en avant par le satellite INTEGRAL et constitués d'une étoile à neutrons et d'une supergéante, où l'accrétion est "directe", et aborde ensuite mes travaux sur les microquasars. Dans ces derniers le système est composé d'un trou noir et d'une étoile de faible masse ; l'accrétion s'y fait via un disque. Dans ce document je présente tout d'abord les aspects purement astronomiques (astrométrie, caractérisation des sources) et progresse vers l'analyse physique de leurs émissions (spectrométrie, photométrie) après avoir discuté des résultats obtenus par une approche purement phénoménologique de ces populations de sources. Lors de l'approche physique je montre tout d'abord comment les rayons X peuvent permettre une radiographie du système, et les conclusions qu'il est possible d'obtenir sur l'environnement local du système : vent stellaire, cocon absorbant, interaction vent stellaire/émission X. Dans le cadre des microquasars les analyses systématiques de ces objets m'ont permis de contraindre certains liens entre phénomènes d'accrétion et d'éjection. Je présente ainsi les conclusions qu'il est possible de tirer des bases de données multi-longueurs d'onde. Je décris alors trois modèles théoriques concurrents et les confronte avec les résultats observationnels.

Les plasmas peu denses, très énergétiques et magnétisés sont des milieux courants en astrophysique. Cette thèse est dédiée à l'étude de deux milieux spécifiques caractérisés par une géométrie de disque : le centre Galactique et la couronne des microquasars. Dans chacun des deux cas, les observations suggèrent l'existence d'un plasma extrêmement chaud (100 millions et 1 milliard de degrés) et ténu dont l'origine reste un mystère ; certains indices semblent également y montrer un champ magnétique assez fort, de structure dipolaire et principalement verticale baignant ce plasma. <br /><br />Au centre Galactique, la température du gaz considéré est telle que, s'il était collisionnel et composé principalement d'hydrogène, il devrait s'échapper, impliquant des besoins énergétiques excessifs pour les mécanismes de chauffage. Nous montrons cependant que les conditions peuvent naturellement mener à un plasma d'hélium, confiné par le potentiel Galactique. Dans cette situation plus raisonnable, nous étudions un processus possible de chauffage reposant sur la forte viscosité du gaz et la friction sur des nuages moléculaires froids en mouvement.<br /><br />La problématique des microquasars est très similaire, à la différence notable près que la couronne est probablement peu collisionnelle. Nous étudions dans ce régime un mécanisme de chauffage par pompage magnétique dans lequel la résonance entre le mouvement oscillant de certains ions de la couronne et une excitation périodique des lignes de champ magnétique par une instabilité du disque peut fournir de l'énergie à la couronne. Nous montrons en particulier que ce mécanisme est insuffisant à expliquer la température observée.

In this thesis, RXTE timing analysis of Galactic Microquasars GRO J1655-40 and GRS 1915+105, the Chandra and RXTE joint spectral analysis of GRS 1915+105 are presented. We have investigated quasi periodic oscillations (QPOs) in the black hole binaries GRO J1655-40 and GRS 1915+105 observed in 99 and 122 observations made by the Proportional Counter Array (PCA) on board Rossi X-Ray Timing Explorer (RXTE) in both low energy band (2-12 keV) and high energy band (13-27 keV), respectively. Four different X-ray states are seen in the combined characteristics of power spectra, light curves extracted by using All Sky Monitor (ASM) and spectra during 1996 and 2005. Timing analysis of RXTE observations of both of two black hole binaries GRO J1655-40 and GRS 1915+105 displays twin high frequency quasi periodic oscillations (QPOs) which are sometimes simultaneous in high energy band. It is also shown that the time averaged 30 ksec Chandra grating spectrum analysis and RXTE spectrum analysis of recent observation of GRS 1915+105 in the very high state are consistent with the parameters which were mentioned before. We briefly discussed our results and the models on black hole spin and mass.

L'origine de la variabilité observée dans l´émission X et Gammas des binaires X reste encore à ce jour un problème largement débattu en astrophysique des hautes énergies. Ces objets présentent notamment des fortes variations apériodiques et quasi-périodiques de leur luminosité sur d´aussi petites échelles de temps que la milliseconde et ce comportement erratique doit permettre de contraindre les modèles d´émission des zones les plus rapprochées des étoiles à neutrons ou des trous noirs de masse stellaire les constituant.<br /><br />Nous nous proposons dans ce manuscrit d´étudier le comportement de ces objets sous 3 angles différents : tout d´abord nous suivons l´évolution d´une source découverte par le satellite INTEGRAL, IGR J19140+0951. Par une étude spectro-temporelle et multi-instruments nous montrons que celle-ci doit vraisemblablement appartenir à la classe des binaires X de grande masse et abriter une étoile à neutron. Ensuite, nous proposons une nouvelle technique adaptée à l´étude temporelle des données provenant d´instruments à masques codés. Nous mettons en évidence par ce biais la présence de comportement périodiques et quasi-périodiques dans les données INTEGRAL/ISGRI de certains pulsars ou microquasars, jusqu'à des énergie proches de la centaine de keV.<br /><br />Enfin, nous proposons un modèle pour décrire la variabilité à basse fréquence des états les plus durs des binaires-X. Celui-ci est basé sur la comptonisation thermique de photons mous par une couronne chaude soumise à une onde de pression en géométrie cylindrique. Nous montrons alors par des solutions analytiques et une résolution numérique du problème qu´un tel modèle pourrait permettre de décrire certaines composantes observées dans les spectres de puissance des états durs ainsi que leur évolution tels que le bruit apériodique et certaines oscillations périodiques de basses fréquences.