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Nous présentons une nouvelle approche pour déterminer, d'une façon plus précise, l'indice spectral et sa variation spatiale dans les restes de supernova (RSN). Sachant que les RSNs sont des sources de rayonnement non-thermique (rayonnement synchrotron), nous éliminons la contribution du rayonnement thermique à l'aide de la corrélation entre le continu radio à 1420 MHz (CGPS) et le continu infrarouge à 60 pm (IRAS). De plus, nous étudions la contribution de l'émission de la poussière associée au gaz neutre HI. Cette contribution permet, à l'aide d'une simple soustraction, d'isoler l'émission associée au gaz ionisé (HII) seulement. La méthode a été appliquée à l'étude de l'indice spectral de cinq RSNs, soit G78.2+2.1, VRO 42.05.01, CTA1, Boucle du Cygne et HB 3. Dans certains cas, les indices spectraux obtenus sont significativement plus élevés que les valeurs obtenues précédemment.

This study focusses on modelling important aspects of the evolution of pulsar wind nebulae using two different approaches. The first uses a hydrodynamic model to simulate the morphological evolution of a spherically-symmetric composite supernova remnant that is expanding into a homogeneous interstellar medium. In order to extend this model, a magnetic field is included in a kinematic fashion, implying that the reaction of the fluid on the magnetic field is taken into account, while neglecting any counter-reaction of the field on the fluid. This approach is valid provided that the ratio of electromagnetic to particle energy in the nebula is small, or equivalently, for a large plasma β environment. This model therefore allows one to not only calculate the evolution of the convection velocity but also, for example, the evolution of the average magnetic field. The second part of this study focusses on calculating the evolution of the energy spectra of the particles in the nebula using a number of particle evolution models. The first of these is a spatially independent temporal evolution model, similar to the models that can be found in the literature. While spatially independent models are useful, a large part of this study is devoted to developing spatially dependent models based on the Fokker-Planck transport equation. Two such models are developed, the first being a spherically-symmetric model that includes the processes of convection, diffusion, adiabatic losses, as well as the non-thermal energy loss processes of synchrotron radiation and inverse Compton scattering. As the magnetic field geometry can lead to the additional transport process of drift, the previous model is extended to an axisymmetric geometry, thereby allowing one to also include this process. / PhD (Space Physics), North-West University, Potchefstroom Campus, 2014

This study focusses on modelling important aspects of the evolution of pulsar wind nebulae using two different approaches. The first uses a hydrodynamic model to simulate the morphological evolution of a spherically-symmetric composite supernova remnant that is expanding into a homogeneous interstellar medium. In order to extend this model, a magnetic field is included in a kinematic fashion, implying that the reaction of the fluid on the magnetic field is taken into account, while neglecting any counter-reaction of the field on the fluid. This approach is valid provided that the ratio of electromagnetic to particle energy in the nebula is small, or equivalently, for a large plasma β environment. This model therefore allows one to not only calculate the evolution of the convection velocity but also, for example, the evolution of the average magnetic field. The second part of this study focusses on calculating the evolution of the energy spectra of the particles in the nebula using a number of particle evolution models. The first of these is a spatially independent temporal evolution model, similar to the models that can be found in the literature. While spatially independent models are useful, a large part of this study is devoted to developing spatially dependent models based on the Fokker-Planck transport equation. Two such models are developed, the first being a spherically-symmetric model that includes the processes of convection, diffusion, adiabatic losses, as well as the non-thermal energy loss processes of synchrotron radiation and inverse Compton scattering. As the magnetic field geometry can lead to the additional transport process of drift, the previous model is extended to an axisymmetric geometry, thereby allowing one to also include this process. / PhD (Space Physics), North-West University, Potchefstroom Campus, 2014

Diese Arbeit berichtet über die Suche nach gepulster und ungepulster hochenergetischer (VHE) Gammastrahlung mit dem High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) im Energiebereich von 100 GeV bis 100 TeV von drei Pulsaren. Gepulste VHE Gammastrahlung wurde bisher nur fuer den jungen Krebspulsar gefunden. Eine besondere Gruppe von Pulsarwindnebeln (PWN) sind die zusammengesetzten Supernovaüberreste (SNR), bei denen sich ein PWN im Zentrum einer expandierenden SNR Schale befindet. Die Resultate der Suche nach gepulster und ungepulster VHE Gammastrahlung von zwei Millisekundenpulsaren, PSR J0437-4715 und PSR J1824-2452, werden im ersten Teil dieser Arbeit vorgestellt. Teile der Beobachtungen wurden in einer speziellen Triggerkonfiguration (dem Topologischen Trigger mit konvergenter Ausrichtung) durchgeführt, um die Energieschwelle des Instruments zu senken. Kein Hinweis auf gepulste oder ungepulste Emission wurde gefunden und obere Grenzen auf den gepulsten und ungepulsten Fluss wurden bestimmt. Die oberen Grenzen auf den gepulsten Fluss werden mit bestehenden Modellvorhersagen verglichen und erlauben für PSR J1824-2452 den Bereich möglicher Geometrien in einigen Modellen einzuschränken. Die Resultate der Suche nach gepulster und ungepulster VHE Gammastrahlung aus der Richtung des zusammengesetzten SNR Kes 75 werden im zweiten Teil dieser Arbeit präsentiert. Der PWN im Zentrum von Kes 75 wird von einem sehr jungen und energiereichen Pulsar, PSR J1846-0258, angetrieben, der ein aussergewöhnlich starkes Magnetfeld besitzt. Während kein Hinweis auf gepulste Strahlung gefunden wurde, konnte ungepulste Emission von VHE Gammastrahlung von einer Punktquelle mit einer statistischen Signifikanz von 10 sigma nachgewiesen werden. Die VHE Gammastrahlung ist räumlich koinzident mit dem PWN und mit der SNR Schale. Beide werden als mögliche Quelle für die beobachtete Emission diskutiert. Der Pulsar von Kes 75 wäre der jüngste bisher bekannte Pulsar, der einen Pulsarwindnebel antreibt. / This work reports on the search for pulsed and steady very-high energy (VHE) gamma-ray emission in the energy range extending from 100 GeV up to 100 TeV from the direction of three pulsars with the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.). Pulsed gamma-ray radiation from pulsars with energies beyond 100 GeV was found thus far only for the young and energetic Crab pulsar. A special class of pulsar wind nebulae (PWNe) is associated with composite supernova remnants (SNRs) where the PWN is centered in an expanding SNR shell. In the first part of this thesis, the results on the search for pulsed and steady VHE gamma-ray emission from the two millisecond pulsars, PSR J0437-4715 and PSR J1824-2452, are presented. Parts of the observations were conducted in a special trigger setup (the topological trigger with convergent pointing) to reduce the energy threshold of the instrument. No signal of pulsed or steady emission is found and upper limits on the pulsed and steady gamma-ray flux are derived. The upper limits on the pulsed gamma-ray flux are compared to existing model predictions and, in the case of PSR J1824-2452, allow the range of possible viewing geometries in some models to be constrained. In the second part of this work, results on the search for pulsed and steady VHE gamma-ray emission from the direction of the composite SNR Kes 75 are presented. The PWN in the center of Kes 75 is powered by a very young and powerful pulsar, PSR J1846-0258, that has an exceptionally high magnetic field. While no hint for pulsed emission is found, steady VHE gamma-ray emission is detected with a statistical significance of 10 sigma from a point-like source. The VHE gamma-ray emission is spatially coincident with the PWN and the SNR shell. Both are discussed as a possible origin for the observed emission. The pulsar of Kes 75 would be the youngest pulsar known to date to power a VHE PWN.

New radio telescopes under development, will significantly enhance the capabilities of radio astronomy in the Southern Hemisphere. South Africa, in particular, is actively involved in the development of a new array (MeerKAT) as well as in the expansion of existing very long baseline interferometer arrays in the south. Participation in these new developments demands a thorough understanding of radio astronomy techniques, and data analysis, and this thesis focusses on two projects with the aim of gaining such experience. The Southern Hemisphere very long baselines array is not well served with calibrator sources and there are significant gaps in the present calibrator distribution on the sky. An adequately dense, well distributed, set of strong, compact calibrator or reference sources is needed. With this in mind, observations using the Southern Hemisphere long baseline array were conducted to investigate a sample of candidate calibrator sources. The compactness of the sources was investigated and new potential calibrators have been identified. Single antenna radio spectroscopy of OH masers has identified sources of 1720 MHz emission associated with supernova remnants at the shock interface between the expanding supernova remnant and a molecular cloud. Models indicate that these masers are shock excited and can only be produced under tight physical constraints. Out ows from newly-formed stars create nebulous regions known as Herbig-Haro objects when they interact with the surrounding medium, and these regions are potentially similar to those seen in supernova remnants. If conditions behind the shock fronts of Herbig-Haro objects are able to support 1720-MHz OH masers they could be a useful diagnostic tool for star formation. A survey toward Herbig-Haro objects using a single-dish radio telescope did detect 1720-MHz OH lines in emission, but neither their spectral signature nor follow-up observations with the Very Large Array showed evidence of maser emission. / Mathematical Sciences / Ph.D. (Astronomy)

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.

L'instrument SNIFS a été conçu pour l'observation des Supernovae de type Ia à bas redshit afin de mieu connaître et caractériser ces objets. Le but étant de savoir si ces objets peuvent être utilisés comme des chandelles standards afin de contraindre les paramètres cosmologiques. La première partie de cette thèse porte sur le développement d'une simulation numérique détaillée de l'instrument SNIFS. Cette simulation reproduit les données issues de l'instrument de la manière la plus réaliste possible en tenant compte de toutes les aberrations présentes, ce qui inclut l'instrument mais aussi l'atmosphère. A terme ces images pourront être utilisées pour préparer la calibration de l'instrument. Le seconde partie tente d'établir une méthode capable d'analyser les résultats produits par l'instrument SNIFS. En se basant sur des outils morphométriques, cette méthode montrera comment l'on peut comparer des séries temporelles de spectre de supernovae et extraire des informations statistiques de celles ci.

La spectrographie à champ intégral est une technique d'observation astronomique puissante permettant d'acquérir des informations spectrales en tout point d'une zone du ciel. Longtemps cantonnée, du fait du traitement spécifique qu'elle requiert, à des niches instrumentales, elle est maintenant disponible sur tous les grands télescopes. Naturellement, cette spectrographie dite " 3D " a d'abord été utilisée pour l'étude de sources étendues, essentiellement extra-galactiques. Elle a néanmoins de nombreux avantages pour l'observation de sources ponctuelles : qualité photométrique, soustraction du fond structuré, facilité d'acquisition, etc. J'ai ainsi contribué au développement à Lyon du " SuperNova Integral Field Spectrograph " (SNIFS), le premier et unique spectrographe à champ intégral dédié à l'observation spectro-photométrique des supernovæ proches. Dans la tradition des précédentes réalisations de l'Observatoire de Lyon, cet instrument est un spectrographe 3D à trame de micro-lentilles (15 × 15), offrant une couverture spectrale étendue (3200-10 000 Å) avec une résolution modérée ( R~2000) sur un champ de vue restreint (6,4 × 6,4 arcsec²). Même si la technologie mise en oeuvre est maintenant relativement classique, les ambitions en terme de précision spectro-photométrique sont élevées. Responsable de la production des données SNIFS, j'ai mis en place toute la chaîne automatisée de réduction et d'étalonnage s'appuyant sur une compréhension fine des détecteurs (non-linéarité aux bas flux, lumière diffuse), de l'instrument (extraction optimale, étalonnage spectro-spatial, etc.) et de l'atmosphère (spectro-photométrie de PSF, transmission atmosphérique, étalonnage en flux, etc.), pour des performances finales conformes aux exigences scientifiques. SNIFS constitue le coeur du projet " The Nearby Supernova Factory " (SNfactory), une collaboration internationale visant à étudier des supernovæ thermonucléaires (dites de type Ia, SNe Ia) proches (z < 0,1). Ces chandelles standards de portée cosmologique sont à l'origine de la découverte de l'expansion accélérée de l'Univers, et doivent maintenant permettre de préciser la nature de la mystérieuse " énergie noire " qui en serait la cause. Cependant, de nombreux aspects pratiques restent à étudier pour obtenir des contraintes cosmologiques fortes et indiscutables : quelle est la luminosité et la couleur intrinsèque des SNe Ia ? Existe-t-il différentes sous-catégories, et comment les identifier ? Quelle est la nature du progéniteur ? La collaboration SNfactory a acquis, depuis l'installation de SNIFS en 2004 sur le télescope de 2,2 m de l'Université d'Hawaï, plus de 200 séries temporelles de SNe Ia proches, totalisant plus de 3000 spectres étalonnés en flux avec une précision de 2-3 % selon les conditions atmosphériques. Cet échantillon unique, sans équivalent dans le reste du monde, nous permet de mieux comprendre la physique de ces objets (p.ex. existence de SNe dites " super-Chandraskhar "), de mettre en place de meilleures méthodes de standardisation (en particulier par l'étude des caractéristiques spectrales), de réduire les erreurs systématiques tant observationnelles que méthodologiques, d'étudier la relation entre les SNe et leur environnement galactique (propriétés globales ou locales), etc. Le projet SNfactory est illustratif des développements récents de la cosmologie observationnelle, entrée depuis 15 ans dans le domaine des mesures de précision. Après les expérimentations de découverte et de confirmation, de nombreux projets en préparation doivent permettre d'aborder la 3e phase, celle des observations de masse. Deux collaborations dominent les perspectives à 10 ans dans ce domaine : le Large Synoptic Survey Telescope et Euclid. L'expertise acquise dans la gestion d'un projet intermédiaire tel que SNfactory me permettra d'y contribuer efficacement.

Vers la fin des années 1990, l'utilisation des supernovae de type Ia (SNe Ia) comme indicateurs de distance a permis de mettre en évidence l'expansion accélérée de l'univers. Depuis lors, des campagnes d'observations de grandes envergures ont permis d'augmenter de façon significative le nombre de SNe Ia observées, mais les incertitudes systématiques liées à la qualité des échantillons de SNe Ia proches restent un facteur limitant sur la précision des mesures actuelles. C'est dans le but de réduire ces incertitudes que le projet the Nearby Supernova Factory (SNfactory), à l'aide d'un instrument spectro-photométrique dédié à l'observation des SNe Ia (the Supernova Integral Field Spectrograph), a collecté depuis 2004 plus de 3000 spectres de près de 200 SNe Ia proches. Une des limitations actuelles de leur utilisation, outre les aspects liés aux problèmes d'inter-calibration entre les différentes expériences, est celle du mélange des différentes composantes de leurs variabilités lors de la standardisation empirique de leur module de distance. Une meilleure séparation de ces composantes, ainsi que la découverte de nouveaux indicateurs de distance, font partie des améliorations que peut apporter un échantillon spectral de SNe Ia proches tel que celui de la collaboration SNfactory. Cette thèse de doctorat, effectuée à l'Institut de Physique Nucléaire de Lyon et au Lawrence Berkeley National Laboratory, s'inscrit directement dans cette problématique, en se concentrant sur la mesure d'indicateurs spectraux sur l'échantillon spectral de la collaboration Snfactory. Le plan de cette thèse est le suivant : La première partie présente le contexte scientifique ainsi que l'échantillon de SNe Ia de la collaboration SNfactory utilisé dans les analyses. La deuxième partie se concentre sur la méthode de mesure d'indicateurs spectraux appliquée à l'échantillon spectrale présenté, ainsi que sur une étude de leur sensibilité à l'extinction par le milieu interstellaire. La troisième partie est une étude des corrélations des indicateurs spectraux et de leur utilisation pour la standardisation des Sne Ia. Dans la dernière partie, une utilisation de ces indicateurs spectraux pour la détermination d'une loi d'extinction moyenne est présentée