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Dissertation, Humboldt Universität zu Berlin, 2022; Humboldt-Universität zu Berlin 182 pp. (2022). doi:10.18452/24909 = Dissertation, Humboldt Universität zu Berlin, 2022, The High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) is an array of five Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (IACTs) located in Namibia. The H.E.S.S. telescopes are sensitive to Very-High-Energy (VHE) gamma rays between $\sim30\,$TeV and $\sim100\,$TeV. At a distance of $16.5\,$Mpc Messier 87 (M87) is one of the closest radio-galaxies, hosting one of the most massive Super-Massive Black Hole, which accretes matter and launches an inclined jet of relativistic particles. The jet is detected and studied by radiation emitted through the entire electromagnetic spectrum. M87 is located at the very center of the Virgo galaxy cluster, a Cool Core (CC) cluster, characterized by an Intra-cluster Medium (ICM) that is colder close to the center and hotter towards the outskirts of the galaxy cluster.According to the Cooling Flow (CF) theory, the plasma in CC clusters cools in the outskirts of the cluster and falls inwards, increasing the star formation ratio in the region. However, optical measurements of the Virgo Cluster seem to contradict this model.The Active Galactic Nucleus (AGN) feedback mechanism is proposed as a heating mechanism, which counterbalances the cooling of the ICM and avoids its CF. The cosmic rays from the jet interact with the ICM producing neutral pions, which decay to gamma rays, forming a non-variable and extended gamma-ray signal. However, no gamma-ray observations could be associated with pion decay in galaxy clusters.In this work, deep H.E.S.S. observations of M87's low state are analyzed, and the results have shown no significant gamma-ray extension leading to a $3\,\sigma$ upper limit of $0.016^\circ\approx4.6\,$kpc. The ratio of cosmic-ray pressure to thermal pressure $X_{\mathrm{CR}}$ is constrained to $< 0.36$ at its maximum position, assuming a steady-state between the heating and the cooling processes.The new generation of IACTs, the Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO) will offer unprecedented sensitivity and angular resolution. To assure the long-term availability of the telescopes, a structure monitoring system based on vibration measurements was developed and successfully tested at the Medium-sized Telescope (MST) prototype between 2019 and 2020 in Berlin. CTAO should be able to probe the gamma-ray emission from the Virgo Cluster, and, according to simulations and to the steady-state model, significantly detect it after $\approx 210\,$h., Published by Humboldt-Universität zu Berlin

The origin of Galactic cosmic rays is a century-old problem that can be tackled by studying the properties of the gamma-ray emission from astrophysical sources in the Galactic plane. The Galactic cosmic ray factories, also known as PeVatrons, are expected to accelerate particles up to at least few PeV (1 PeV = 10^15 eV). They may therefore be revealed by means of gamma-ray observations at energies exceeding tens and hundreds of TeV, i.e. around the transition between the very-high energy (VHE) and ultra-high-energy (UHE) gamma-ray bands. In this thesis we analyzed data from the High-Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.), a VHE gamma-ray telescope array located in Namibia, to pinpoint the best PeVatron candidates in the Southern gamma-ray sky. We made large use of the 3D analysis technique, recently adopted in VHE gamma-ray astronomy, to derive information on the physical properties of Galactic objects using spatial and spectral parametric templates. The results presented in this thesis were obtained using Gammapy, the official software tool of the Cherenkov Telescope Array (CTA) Observatory. First, we performed a detailed study of the unidentified source HESS J1702-420. This led us to conclude that, under the assumption that inelastic collisions between ultra-relativistic cosmic rays and target gas protons are at the origin of its gamma-ray emission, HESS J1702-420 likely harbors PeV protons. HESS J1702-420 therefore becomes an excellent PeVatron candidate, even if leptonic emission scenarios could not be excluded. Extending the same analysis techniques, we then performed a blind search for gamma-ray sources significantly detected by H.E.S.S. above 20 TeV, which resulted in a new catalog of 14 objects called the H.E.S.S. high-Energy Galactic Plane Survey (HEGPS). This will constitute a valuable legacy for future pointing experiments such as CTA, potentially supporting a reasoned choice in the time allocation strategy for the PeVatron key science project. We have additionally made simulation-based performance studies for CTA, focusing on the PeVatron detection and modeling capabilities of the future array.; L'origine des rayons cosmiques galactiques est un problème vieux d'un siècle qui peut être résolu en étudiant les propriétés de l'émission de rayons gamma provenant de sources astrophysiques dans le plan galactique. Les sources de rayons cosmiques galactiques, également connues sous le nom de PeVatrons, devraient accélérer les particules jusqu'à au moins quelques PeV (1 PeV = 10^15 eV). Ils peuvent donc être révélés par des observations gamma à des énergies dépassant les dizaines et centaines de TeV, c'est-à-dire autour de la transition entre les bandes gamma des très hautes énergies (VHE) et des ultra hautes énergies (UHE). Dans cette thèse, nous avons analysé les données du High-Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.), un réseau de télescopes gamma VHE situé en Namibie, pour identifier les meilleurs candidats PeVatron dans le ciel gamma du sud. Nous avons largement utilisé la technique d'analyse 3D, récemment adoptée en astronomie gamma VHE, pour dériver des informations sur les propriétés physiques des objets galactiques à l'aide de modèles paramétriques spatiaux et spectraux. Les résultats présentés dans cette thèse ont été obtenus à l'aide de Gammapy, l'outil logiciel officiel de l'observatoire Cherenkov Telescope Array (CTA). Dans un premier temps, nous avons réalisé une étude détaillée de la source non identifiée HESS J1702-420. Cela nous a conduit à conclure que, en supposant que les collisions inélastiques entre les rayons cosmiques ultra-relativistes et les protons du gaz cible sont à l'origine de son émission de rayons gamma, HESS J1702-420 abrite probablement des protons PeV. HESS J1702-420 devient donc un excellent candidat PeVatron, même si des scénarios d'émission leptonique ne pouvaient être exclus. En prolongeant les mêmes techniques d'analyse, nous avons ensuite effectué une recherche à l'aveugle des sources de rayons gamma détectées de manière significative par H.E.S.S. au-dessus de 20 TeV, ce qui a donné lieu à un nouveau catalogue de 14 objets appelé H.E.S.S. high-Energy Galactic Plane Survey (HEGPS). Cela constituera un héritage précieux pour les futures expériences de pointage telles que le CTA, soutenant potentiellement un choix raisonné dans la stratégie d'attribution de temps pour le projet scientifique clé PeVatron. Nous avons en outre réalisé des études de performances basées sur la simulation pour CTA, en nous concentrant sur les capacités de détection et de modélisation de PeVatron du futur réseau.

The explosive phenomena occurring in the high-energy Universe are able to accelerate particles up to the highest energies. These processes produce secondary particles of different nature, i.e. photons and neutrinos. In special cases, these events induce perturbations on the space-time, i.e. gravitational waves detectable by interferometers on Earth. The combination and the complementary information provided by these cosmic messengers may allow to answer open questions in astrophysics, as the origin of cosmic rays. Amongst the most violent events producing such signals are the merge of the two densest objects, as neutron stars and black holes or the accretion activity in galaxies onto a supermassive black hole. In this work, we focus on the very-high energy photons that these extreme events produce, and the connection with the other counterparts, in order to provide a broad multi-messenger picture which enables the study of the physical mechanisms in place. The challenges inherent to time-domain multi-messenger astronomy are discussed and tackled, which involves simultaneous coordinated worldwide effort across facilities and astronomical disciplines. A novel, optimized GW follow-up observation strategy for small/mid- FoV instruments as H.E.S.S. and the future CTA, able to perform a rapid response to alerts, which considers the characteristics of the GW event and maximizes the chances to detect the electromagnetic counterpart will be presented. This strategy was proven successful in follow-up observations with the H.E.S.S. telescopes and in particular in the case of the first ever detected binary neutron star merger, GW170817. In the context of the AMON network, a multi-messenger analysis that combines gravitational wave events with HAWC data, with the aim to identify astrophysical coincidences out of independent events, has been developed. In addition, the discovery by H.E.S.S. in very-high energies of the active galactic nucleus OT 081, during a flaring episode in July 2016, will be presented.; Les phénomènes explosifs qui se produisent dans l'Univers à haute énergie sont capables d'accélérer les particules jusqu'aux énergies les plus élevées. Ces processus produisent des particules secondaires de nature différente, c'est-à-dire des photons et des neutrinos. Dans des cas particuliers, ces événements induisent des perturbations sur l'espace-temps, c'est-à-dire des ondes gravitationnelles détectables par des interféromètres sur Terre. La combinaison des informations complémentaires fournies par ces messagers cosmiques peuvent permettre de répondre à des questions ouvertes en astrophysique. Parmi les événements les plus violents qui produisent de tels signaux figurent la fusion des deux objets les plus denses, comme les étoiles à neutrons et les trous noirs ou l'activité accréatrice dans les galaxies sur un trou noir supermassif. Dans ce travail, nous nous concentrons sur les photons à très haute énergie que produisent ces événements extrêmes, et sur la connexion avec les autres contreparties, afin de fournir une image globale multi-messagers qui permet l'étude des mécanismes physiques en place. Les défis inhérents à l'astronomie multi-messager dans le domaine temporel, ce qui implique un effort mondial coordonné et simultané entre les installations et les disciplines astronomiques, sont discutés et abordés. Une nouvelle stratégie d'observation optimisée du suivi de l'eau souterraine pour les petits et moyens instruments de FoV comme le H.E.S.S. et le futur CTA, capable d'apporter une réponse rapide aux alertes, qui prend en compte les risques caractéristiques de l'événement GW et maximise les chances de détecter la contrepartie électromagnétique, sera présentée. Cette stratégie s'est avérée fructueuse lors d'observations de suivi avec les télescopes H.E.S.S., et en particulier dans le cas de la première detection de la fusion d'une binaire d'étoiles à neutrons, GW170817. Dans le cadre du réseau AMON, une analyse multi-messagers qui combine des événements d'ondes gravitationnelles avec des données HAWC a été développée dans le but d'identifier les coïncidences astrophysiques à partir d'événements indépendants. De plus, la découverte par H.E.S.S. en très hautes énergies du noyau galactique actif OT 081, lors d'un état de flux élevé en juillet 2016, sera présentée.

The explosive phenomena occurring in the high-energy Universe are able to accelerate particles up to the highest energies. These processes produce secondary particles of different nature, i.e. photons and neutrinos. In special cases, these events induce perturbations on the space-time, i.e. gravitational waves detectable by interferometers on Earth. The combination and the complementary information provided by these cosmic messengers may allow to answer open questions in astrophysics, as the origin of cosmic rays. Amongst the most violent events producing such signals are the merge of the two densest objects, as neutron stars and black holes or the accretion activity in galaxies onto a supermassive black hole. In this work, we focus on the very-high energy photons that these extreme events produce, and the connection with the other counterparts, in order to provide a broad multi-messenger picture which enables the study of the physical mechanisms in place. The challenges inherent to time-domain multi-messenger astronomy are discussed and tackled, which involves simultaneous coordinated worldwide effort across facilities and astronomical disciplines. A novel, optimized GW follow-up observation strategy for small/mid- FoV instruments as H.E.S.S. and the future CTA, able to perform a rapid response to alerts, which considers the characteristics of the GW event and maximizes the chances to detect the electromagnetic counterpart will be presented. This strategy was proven successful in follow-up observations with the H.E.S.S. telescopes and in particular in the case of the first ever detected binary neutron star merger, GW170817. In the context of the AMON network, a multi-messenger analysis that combines gravitational wave events with HAWC data, with the aim to identify astrophysical coincidences out of independent events, has been developed. In addition, the discovery by H.E.S.S. in very-high energies of the active galactic nucleus OT 081, during a flaring episode in July 2016, will be presented., Les phénomènes explosifs qui se produisent dans l'Univers à haute énergie sont capables d'accélérer les particules jusqu'aux énergies les plus élevées. Ces processus produisent des particules secondaires de nature différente, c'est-à-dire des photons et des neutrinos. Dans des cas particuliers, ces événements induisent des perturbations sur l'espace-temps, c'est-à-dire des ondes gravitationnelles détectables par des interféromètres sur Terre. La combinaison des informations complémentaires fournies par ces messagers cosmiques peuvent permettre de répondre à des questions ouvertes en astrophysique. Parmi les événements les plus violents qui produisent de tels signaux figurent la fusion des deux objets les plus denses, comme les étoiles à neutrons et les trous noirs ou l'activité accréatrice dans les galaxies sur un trou noir supermassif. Dans ce travail, nous nous concentrons sur les photons à très haute énergie que produisent ces événements extrêmes, et sur la connexion avec les autres contreparties, afin de fournir une image globale multi-messagers qui permet l'étude des mécanismes physiques en place. Les défis inhérents à l'astronomie multi-messager dans le domaine temporel, ce qui implique un effort mondial coordonné et simultané entre les installations et les disciplines astronomiques, sont discutés et abordés. Une nouvelle stratégie d'observation optimisée du suivi de l'eau souterraine pour les petits et moyens instruments de FoV comme le H.E.S.S. et le futur CTA, capable d'apporter une réponse rapide aux alertes, qui prend en compte les risques caractéristiques de l'événement GW et maximise les chances de détecter la contrepartie électromagnétique, sera présentée. Cette stratégie s'est avérée fructueuse lors d'observations de suivi avec les télescopes H.E.S.S., et en particulier dans le cas de la première detection de la fusion d'une binaire d'étoiles à neutrons, GW170817. Dans le cadre du réseau AMON, une analyse multi-messagers qui combine des événements d'ondes gravitationnelles avec des données HAWC a été développée dans le but d'identifier les coïncidences astrophysiques à partir d'événements indépendants. De plus, la découverte par H.E.S.S. en très hautes énergies du noyau galactique actif OT 081, lors d'un état de flux élevé en juillet 2016, sera présentée.

In high energy astrophysics, several questions are still open and amongst them is the origin of Galactic cosmic rays. The first observational evidence of accelerated particles has only been revealed twenty years ago. Since then, supernova remnants, pulsars and their nebulae are known to efficiently accelerate particles but several questions still hold. In particular, evidence of accelerated protons (which consist on 90% of the cosmic-ray spectrum) is still elusive and several gamma-ray sources have unknown origin. Non-thermal emissions produced in Galactic accelerators provide insights about the nature of the accelerated particles. In particular, while radio and X-ray observations indicate the presence of accelerated electrons, gamma rays can be produced by both electrons and protons (or nuclei in general) but it may be difficult to assess the origin of the emission.The technical part of this thesis concerns the study of the impact on the reconstructed H.E.S.S. data when using atmospheric profiles measured with a lidar instead of a standard atmospheric model currently used. Very high energy gamma rays propagate into the atmosphere before reaching Cherenkov Telescopes and thus, the accuracy of our measurements depends on our understanding of the atmospheric composition. Using run-wise simulations based on lidar data, we study the impact on the instrument response functions and we analyse data to quantify the effect on the spectral reconstruction.The first scientific goal of this thesis is to understand the gamma-ray emission from two supernova remnants (G326.3-1.8 et RX J1713-3946) through detailed spectro-morphological analyses. The analysis of the composite supernova remnant G326.3-1.8, with Fermi-LAT data, has led to two major results: a new evidence of accelerated protons and the first morphological and spectral separation in gamma rays of two nested components. The study of RX J1713-3946, with H.E.S.S. data and using the Ctools package, confirms a significant gamma-ray extension beyond the X-ray emitting shell but its origin remains unclear.The second part of this thesis aims to constrain the nature of the unidentified TeV sources revealed in the H.E.S.S. Galactic Plane Survey. We thus present a generic code, based on a multi-wavelength approach, to find counterparts and estimate physical parameters like the radio spectral index and the mean magnetic field. We apply this code on five unidentified TeV sources and we put constraints on their nature. In particular, we present two high-confusion cases, for which the TeV emission is probably due to the contribution from different components, emphasizing the importance of multi-wavelength data to understand the origin of the gamma-ray emission.; Dans le domaine de l’astrophysique des hautes énergies, de nombreuses questions restent à ce jour sans réponse et, parmi elles se trouve l’origine des rayons cosmiques Galactiques. La première preuve observationnelle de ces particules accélérées a été apportée au sein d’un vestige de supernova il y a seulement vingt ans. Depuis, nous savons que les vestiges de supernova, les pulsars et leurs nébuleuses accélèrent efficacement des particules mais de nombreuses interrogations subsistent encore. Les preuves directes concernant l’accélération de protons (constituant 90% du rayonnement cosmique) sont rares et de nombreuses sources nouvellement détectées en gamma sont de nature inconnue. Les rayonnements produits au sein des accélérateurs Galactiques fournissent d’importants éléments de réponse quant à la nature des particules accélérées. En particulier, alors que les domaines de la radio et des rayons X ne tracent que les électrons accélérés, les rayons gamma peuvent inférer la présence d’électrons et également de protons (et noyaux en général) mais l’émission s’avère le plus souvent difficile à interpréter.Les mesures des rayons gamma de très hautes énergies dépendent de notre connaissance de l’atmosphère terrestre, dans lequel ils se propagent avant d’être détectés par les télescopes Tcherenkov au sol tels que le réseau H.E.S.S. La partie technique de cette thèse concerne l’étude de l’impact des profils d’atmosphère sur les données H.E.S.S. Grâce à des simulations et des analyses prenant en compte les caractéristiques propres à chaque prise de données, nous étudions l’impact des profils d’atmosphère mesurés sur les fonctions de réponse de l’instrument et sur la reconstruction spectrale.Le premier objectif scientifique de cette thèse est de comprendre la nature de l’émission gamma au sein de deux vestiges de supernova (G326.3-1.8 et RX J1713.7-3946) par le biais d’analyses spectro-morphologiques détaillées. L’analyse de G326.3-1.8, avec les données du Fermi-LAT, a mené à deux résultats importants: une nouvelle preuve d’accélération de protons et la première séparation morphologique et spectrale de deux composantes imbriquées en gamma. L’analyse de RX J1713.7-3946, avec les données H.E.S.S. et les outils d'analyse Ctools, a confirmé une extension plus importante en gamma qu’en rayons X mais dont l’origine reste encore incertaine.La deuxième partie de cette thèse entreprend de discuter la nature des sources Galactiques non-associées au TeV. Pour ce faire, nous présentons un code générique visant à rechercher des contreparties multi-longueurs d’onde sur ces sources au TeV, et permettant de poser des contraintes sur des paramètres physiques tels que le champ magnétique moyen et l’indice spectral en radio. En appliquant ce code sur cinq sources non-identifiées du relevé du plan Galactique de H.E.S.S., nous apportons des arguments quant à leur origine. En particulier, nous étudions deux sources, dont l’émission au TeV provient probablement de multiples contributions, soulevant ainsi l’importance des données multi-longueurs d’onde pour comprendre la nature de l’émission en gamma.

Specific models of quantum gravity suggest the existence of a Lorentz Invariance Violation (LIV) at the Planck scale. One signature of that violation is a modification the propagation of photons in vacuum which induces energy dependent delays in the arrival time of photons on Earth. The H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) experiment can search for such delays in the arrival time of gamma rays, thanks to the very high energy emission coming from distant blazars. However, the time delay origin have to be fully understood. Indeed, an intrinsic time delay coming from the source can bias the constraints made on quantum gravity models.In the first part of this thesis, a time dependent blazar flare model is considered to search for the presence of intrinsic time delays related to the emission mechanisms of flares. With the elaboration of a simple scenario, this study highlights the dierent characteristics of intrinsic time delays in order to investigate how to disentangle them from delays due to LIV as well as to provide new constraints on blazar modeling. In the second part of this thesis, the method used to search for LIV signatures in blazar light curves at very high energy is presented as well as an application to the flare of Markarian 501 which occurred in July 2014. This analysis provides in particular the best upper limit on the quadratic term of LIV signature.; Des modèles spécifiques de gravitation quantique suggèrent l’existence d’une Violation de l’Invariance de Lorentz (LIV en anglais) à l’échelle de Planck. Une des signatures de cette violation est la modification de la propagation des photons dans le vide, induisant des décalages temporels dépendant de l’énergie des photons observés sur Terre. De tels décalages dans le temps d’arrivée de rayons “ sont recherchés avec l’expérience H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System), grâce aux émissions de très hautes énergies en provenance de sources lointaines telles que les blazars. Néanmoins, l’origine du décalage temporel doit être comprise en détails. En eet, un décalage intrinsèque à la source pourrait venir biaiser les contraintes sur les modèles de gravitation quantique.Cette thèse propose dans un premier temps de s’intéresser à la modélisation temporelle des éruptions de blazars, pour étudier les possibles décalages intrinsèques liés aux processus d’émissions de ces éruptions. Grâce à l’élaboration d’un modèle simple, cette étude met en relief les diérentes caractéristiques de ces décalages intrinsèques sur les scénarios d’éruptions de blazar afin d’essayer de les distinguer des décalages potentiellement dus à un eet de LIV et aussi de proposer de nouvelles contraintes basées sur ces décalages temporels. Dans un deuxième temps, la méthode de recherche de décalages temporels dépendant de l’énergie avec H.E.S.S. est présentée ainsi qu’une application sur l’éruption du blazar Markarian 501 ayant eu lieu en Juillet 2014. Cette analyse a permis d’établir la meilleure limite obtenue sur le terme quadratique de la signature de la LIV avec l’utilisation d’éruption de blazars.

Binary systems in gamma astronomy are stellar objects involving a massive star with a compact object, the lightest in orbit around the other. They emit regularly at high energy and very high energy (E > 100 GeV) for detection by H.E.S.S. telescopes. Despite their low relative number, they are all characterized by a modulation of gamma photon flux which depends on the position of the lightest object. We will focus more on 2 binary systems : LS 5039 and PSR B1259–63, we have a susbstantial data, H.E.S.S. telescopes have regularly observed these objects for more than 10 years. In 2012, a fifth telescope much larger size, began observations and enables to get events at lower energy and then make the connection with other experiments such as Fermi-LAT. A modelling of these two binary systems in anisotropic inverse Compton in Klein–Nishina regime are also presented and the circumstellar disk is taken into account for PSR B1259–63. Data taken by theH.E.S.S. telescopes can be improved. During observations, atmosphere can be degraded and thus affecting the flux of gamma photons collected. It’s therefore important to know the transparency coefficient of the atmosphere during an analysis. Furthermore, the electromagnetic air showers are more distorted because of the Earth’s magnetic field, a study of these phenomenas is necessary to correct these effects., En astronomie gamma, les systèmes binaires sont des objets stellaires impliquant une étoile massive et un objet compact, le plus léger des deux en orbite autour de l’autre. Ils émettent de façon régulière à haute et très haute énergie (E > 100 GeV) et peuvent être détectés par le réseau de télescopes H.E.S.S.. Malgré leur faible nombre, ils présentent une grande diversité de comportement et sont caractérisés par une modulation de flux dépendant de la position de l’objet compact. 2 systèmes binaires sont étudiés : LS 5039 et PSR B1259–63, en effet un jeu de données conséquent est disponible puisque ces sources sont observées maintenant depuis plus de 10 ans. En 2012, le cinquième télescope de plus grande taille a commencé ses observations et permet ainsi de faire la connexion avec le domaine du GeV.Une modélisation de ces deux systèmes binaires dans le cas d’une diffusion anisotrope inverse Compton dans le régime de Klein–Nishina sera aussi proposée avec une prise en compte du disque circumstellaire pour PSR B1259¡63. Les données recueillies lors d’une observation peuvent être détériorées par une atmosphère dégradée, affectant ainsi le flux de photons ° collectés. Un coefficient traduisant la qualité de l’atmosphère est donc nécessaire. De plus les gerbes peuvent être déformées à cause de laprésence du champ magnétique terrestre, les études de ces phénomènes sont donc nécessaires pour essayer de corriger ces effets.

Since their discovery, there has been a long standing debate concerning the origin of cosmic rays, supernova remnants (SNR) being often cited as the best candidate for their acceleration in the Galaxy. After a chapter relating my career path and an introduction to the subject, the following two chapters of this manuscript summarize the gamma-ray observations acquired by the Large Area Telescope (LAT) aboard Fermi and by the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) on two different types of supernova remnants: young supernova remnants thought to be the most efficient accelerators and middle-aged remnants that show clear signs of proton acceleration. These chapters demonstrate that SNRs are able to accelerate particles (electrons and protons) to very high energies through diffusive shock acceleration. Evidences in favor of proton acceleration are visible in several cases: the historical SNRs Cassiopeia A and Tycho as well as the transition case Puppis A and the middle-aged SNRs W44, IC 443, W51C and W49B. In all cases, the environment in which the SNR is evolving is a key characteristic controlling the gamma-ray spectrum as well as fraction of accelerated particules. In the meantime, the increased sensitivity of the current detectors allowed us to enter an era of catalogs, revealing different classes of astrophysical sources potentially contributing to the cosmic-ray spectrum, such as pulsar wind nebulae, molecular clouds, star forming regions and even a first PeVatron at the Galactic center. This is described in the fifth chapter that also summarizes the recent searches for pulsar wind nebulae and extended sources in the Galaxy with the LAT. Finally, instrumental and observational perspectives are proposed in the last chapter. This manuscript is neither an exhaustive list of all results in the field, nor a complete list of the works and publications that I carried but rather a mix between the two., Depuis leur découverte, un débat sans fin s'anime autour de l'origine des rayons cosmiques, les vestiges de supernovae étant souvent cités comme étant les meilleurs candidats pour leur accélération dans la Galaxie. Après un chapitre résumant mon parcours puis une introduction au domaine, les deux chapitres suivants de ce mémoire résument les observations en rayons gamma du Large Area Telescope (LAT) à bord du satellite Fermi et du High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) pour deux types de vestiges de supernovae: les vestiges de supernovae jeunes supposés être des accélérateurs efficaces, et les vestiges évolués pour lesquels des signes clairs d'accélération de protons ont été obtenus. Ces chapitres démontrent que les vestiges de supernovae sont capables d'accélérer des particules (électrons et protons) à très haute énergie par accélération diffusive par onde de choc. Des preuves de l'accélération de protons sont visibles dans plusieurs cas: les vestiges de supernovae historiques Cassiopeia A et Tycho, de même que Puppis A et les vestiges évolués W44, IC 443, W51C et W49B. Dans tous les cas étudiés, l'environnement dans lequel le vestige évolue est l'élément clé gouvernant le spectre gamma observé ainsi que la fraction de particules accélérées. En parallèle, la sensibilité accrue des détecteurs actuels nous a permis d'entrer dans une ère de catalogues, révélant ainsi différentes classes de sources astrophysiques contribuant potentiellement au spectre du rayonnement cosmique, telles que les nébuleuses de pulsar, les nuages moléculaires, les régions de formation d'étoiles et même un premier PeVatron au centre Galactique. C'est l'objet du cinquième chapitre qui décrit également les recherches récentes de nébuleuses de pulsars et de sources étendues dans la Galaxie avec le LAT. Quelques perspectives instrumentales et observationnelles sont enfin proposées dans le dernier chapitre. Ce manuscrit n'est ni une liste exhaustive de tous les résultats du domaine, ni une liste complète des travaux et publications que j'ai menés mais plutôt un mélange entre les deux.

Cherenkov-Teleskope sind in der Lage, das schwache Cherenkovlicht aus Teilchenschauern zu detektieren, die von kosmischen Teilchen mit Energien von ca. 100 GeV bis 100 TeV in der Erdatmosphäre initiiert werden. Das Ziel ist die Detektion von Cherenkovlicht aus Schauern, die von Gammastrahlen erzeugt wurden, der größte Teil der Schauer stammt jedoch von geladenen Teilchen. Im Jahr 2012 wurde das H.E.S.S.-Observatorium in Namibia, bis dahin bestehend aus vier Teleskopen mit 100 m²-Spiegeln, um ein fünftes Teleskop mit einer Spiegelfläche von ca. 600 m² ergänzt. Aufgrund der großen Spiegelfläche besitzt dieses Teleskop die niedrigste Energieschwelle aller Teleskope dieser Art. In dieser Dissertation wird ein schneller Algorithmus namens MonoReco präsentiert, der grundlegende Eigenschaften der Gammastrahlen wie ihre Energien und Richtungen rekonstruieren kann. Dieser Algorithmus kann weiterhin unterscheiden, ob Schauer von Gammastrahlen oder von geladenen Teilchen der kosmischen Strahlung initiiert wurden. Diese Aufgaben werden mit mithilfe von künstlichen neuronalen Netzwerken erfüllt, welche ausschließlich die Momente der Intensitätsverteilungen in der Kamera des neuen Teleskops analysieren. Eine Energieschwelle von 59 GeV und Richtungsauflösungen von 0.1°-0.3° werden erreicht. Das Energiebias liegt bei wenigen Prozent, die Energieauflösung bei 20-30%. Unter anderem mit dem MonoReco-Algorithmus wurden Daten, die in der Zeit um das Periastron des Binärsystems PSR B1259-63/LS 2883 im Jahre 2014 genommen wurden, analysiert. Es handelt sich hierbei um einen Neutronenstern, der sich in einem 3,4-Jahres-Orbit um einen massereichen Stern mit einer den Stern umgebenden Scheibe aus Gas und Plasmen befindet. Zum ersten Mal konnte H.E.S.S. das Gammastrahlenspektrum dieses Systems bei Energien unterhalb von 200 GeV messen. Weiterhin wurde bei erstmaligen Beobachtungen zur Zeit des Periastrons ein lokales Flussminimum gemessen. Sowohl vor dem ersten als auch nach dem zweiten Transit des Neutronensterns durch die Scheibe wurden hohe Flüsse gemessen. Im zweiten Fall wurden Beobachtungen erstmals zeitgleich mit dem Fermi-LAT-Experiment durchgeführt, das wiederholt sehr hohe Flüsse in diesem Teil des Orbits messen konnte. Ein Vergleich der gemessenen Flüsse mit Vorhersagen eines leptonischen Modells zeigt gute Übereinstimmungen. Cherenkov telescopes can detect the faint Cherenkov light emitted by air showers that were initiated by cosmic particles with energies between approximately 100 GeV and 100 TeV in the Earth's atmosphere. Aiming for the detection of Cherenkov light emitted by gamma ray-initiated air showers, the vast majority of all detected showers are initiated by charged cosmic rays. In 2012 the H.E.S.S. observatory, until then comprising four telescopes with 100 m² mirrors each, was extended by adding a much larger fifth telescope with a very large mirror area of 600 m². Due to the large mirror area, this telescope has the lowest energy threshold of all telescopes of this kind. In this dissertation, a fast algorithm called MonoReco is presented that can reconstruct fundamental properties of the primary gamma rays like their direction or their energy. Furthermore, this algorithm can distinguish between air showers initiated either by gamma rays or by charged cosmic rays. Those tasks are accomplished with the help of artificial neural networks, which analyse moments of the intensity distributions in the camera of the new telescope exclusively. The energy threshold is 59 GeV and angular resolutions of 0.1°-0.3° are achieved. The energy reconstruction bias is at the level of a few percent, the energy resolution is at the level of 20-30%. Data taken around the 2014 periastron passage of the gamma-ray binary PSR B1259-63/LS 2883 were analysed with, among others, the MonoReco algorithm. This binary system comprises a neutron star in a 3.4 year orbit around a massive star with a circumstellar disk consisting of gas and plasma. For the first time the gamma-ray spectrum of this system could be measured by H.E.S.S. down to below 200 GeV. Furthermore, a local flux minimum could be measured during unprecedented measurements at the time of periastron. High fluxes were measured both before the first and after the second transit of the neutron star through the disk. In the second case measurements could be performed for the first time contemporaneously with the Fermi-LAT experiment, which has repeatedly detected very high fluxes at this part of the orbit. A good agreement between measured fluxes and predictions of a leptonic model is found.

The Galactic center (GC) is a very rich and complex astrophysical region. The high supernovae (SN) rate associated with the strong massive star formation should create a sustained cosmic rays (CR) injection in the GC via the shocks they produce. This region also harbors a Super-Massive Black Hole (SMBH) of 4 x 10⁶ M, named Sgr A*. Since it has been argued that the SMBH might also accelerate particles up to very high energies (VHE), its current and past activity could contribute to the CR population. In 2006, the H.E.S.S. collaboration revealed the presence of a VHE diffuse emission in the inner 100 pc of the Galaxy in close correlation with the molecular matter spread in the central molecular zone (CMZ). A major part of this emission is thus certainly of hadronic origin but it still remains mysterious. We report a new detailed spectral and morphological analysis of this region using 10 years of H.E.S.S. observations as well as a detailed modelling of the gamma-ray emission induced by the SNe. We study the impact of the spatial and temporal distribution of SNe in the CMZ on the VHE emission morphology and spectrum: we built a 3D model of VHE CR injection and diffusive propagation with a realistic gas distribution. The contribution of SNe can not be neglected. We show that a peaked gamma-ray profile and CR excess towards the GC, can be obtained using realistic SN spatial distribution taking into account the central massive star clusters. A strong dependence on the morphology of the emission with the energy is expected in this scenario. The CR density profile can also be reproduced by a unique stationary injection at the center by Sgr A* but it implies a stable morphology across the energy range. To distinguish the models, we need a 3D analysis. We present the first results of this analysis that we started to design in the software Gammapy to simultaneously fit a spectral and morphological model to the data. The observations of complex morphological regions with diffuse emission or multiple sources will become more and more numerous with the next generation instruments such as the Cherenkov Telescope Array. They will also require the development of this technique. We detail the first validations of this method on point sources using a Monte Carlo tool. For the ridge emission, we report the new spectrum using a method that we developed for the classical spectral fitting necessary for faint emission. By using new spatial templates to describe the complexity of the diffuse emission, we perform a morphological analysis in different energy bands independently. No significant variation is found but more observations are needed to give a conclusive statement as well as a real 3D analysis in the GC region. The observations of CTA will allow to give precise answers to these questions., Le centre Galactique (GC) est une région très riche et complexe. Le taux de supernovae (SN) associé à la formation d'étoiles massives y est très élevée et devrait créer une injection continue de rayons cosmiques (CRs) dans le GC à travers les chocs qu'elles produisent. Cette région abrite également un trou noir supermassif (SMBH) de 4 x 10⁶ M, nommé Sgr A*. De nombreux arguments ont permis de montrer que le SMBH pouvait accélérer des particules à très haute énergie (VHE); son activité actuelle et passée pourrait donc également contribuer à la population de CRs. En 2006, la collaboration H.E.S.S. a révélé la présence d'une émission diffuse à VHE dans les 100 pc centraux de la Galaxie, très corrélée à la distribution de matière moléculaire répartie dans la zone moléculaire centrale (CMZ). Une partie importante de cette émission a donc très probablement une origine hadronique mais celle-ci reste toujours inconnue. Nous présentons une nouvelle analyse spectrale et morphologique détaillée de la région en utilisant 10 ans de prise de données de H.E.S.S. ainsi qu’une modélisation de l'émission gamma induite par les SNe. Nous étudions l'impact de la distribution temporelle et spatiale des SNe dans le CMZ sur la morphologie et le spectre de l'émission: nous construisons un model 3D d'injection de CRs à VHE et d'une propagation diffusive dans la région avec une distribution de gaz réaliste. La contribution des SNe ne peut pas être négligée. Nous montrons qu’un profil piqué de rayon gamma ainsi qu’un excès de CRs vers le GC peuvent être obtenus en utilisant une distribution spatiale réaliste de SNe prenant en compte les amas d'étoiles massives centraux. La morphologie de l'émission est très dépendante de l'énergie dans ce scénario. Le profil de densité de CRs peut également être reproduit avec une injection stationnaire unique au centre par Sgr A* mais cela implique alors une morphologie stable en énergie. L'utilisation d'une analyse 3D est donc nécessaire pour distinguer les modèles. Nous présentons les premiers résultats de cette analyse que nous avons développé dans la librairie Gammapy afin d'ajuster simultanément un spectre et une morphologie sur des données. Avec la prochaine génération d'instruments comme le Cherenkov Telescope Array, les observations de régions avec une morphologie complexe, avec une émission diffuse ou de multiples sources, vont devenir de plus en plus nombreuses. Elles nécessitent donc également le développement de cette technique. Nous détaillons les premières validations de cette méthode appliquée sur des sources ponctuelles avec un outil Monte Carlo. Pour l’émission diffuse, nous présentons le nouveau spectre obtenu en utilisant une méthode que nous avons développée pour l’extraction spectrale 1D classique. Nous réalisons par ailleurs une analyse morphologique dans différentes bandes en énergie indépendantes en utilisant de nouveaux modèles spatiaux. Pour l'instant, aucune variation significative n'est détectée mais des observations supplémentaires sont nécessaires ainsi qu'une vraie analyse 3D de la région du GC pour pouvoir donner une conclusion définitive. Les observations de CTA permettront de donner des réponses précises à ces questions.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit zwei Aspekten der Gammastrahlungsastronomie. Einerseits studiert sie die Anforderungen an das zukünftige CTA-Observatorium für Gammastrahlung und präsentiert insbesondere Abschätzungen der Datenmengen, die während des Betriebs des Observatoriums anfallen werden. Für das größere CTA-Teleskopfeld auf der Südhalbkugel werden demnach eine Triggerate von 13 kHz und Datenraten von bis zu 2500 MB/s erwartet. Unter der Annahme, dass 15% der Zeit für Beobachtungen genutzt werden können, ergibt sich in 15 Jahren ein Datenvolumen von bis zu 165 PB. Die Implementation eines entsprechenden Systems zur Datenerfassung und -speicherung stellt eine Herausforderung dar, die jedoch mit existierenden Technik bewältigt werden kann. Andererseits befasst sie sich mit dem Supernovaüberrest RX J0852.0-4622 (auch bekannt als Vela Junior), präsentiert die Ergebnisse einer Analyse von Daten, die mit dem H.E.S.S.-Experiment genommen wurden, und geht der Frage nach, ob RX J0852.0-4622 ein kosmischer Teilchenbeschleuniger ist. Dabei erlauben die präzisen Messungen eine im Vergleich zu früheren Veröffentlichungen verbesserte Bestimmung der Eigenschaften der emittierenden Teilchenpopulation. Es ergibt sich, dass das Energiespektrum von RX J0852.0-4622 ein Potenzgesetz ist, das zu hohen Energien hin mit einer Abschneideenergie von 7.2 TeV exponentiell unterdrückt wird. Abschließend wird anhand von Simulation gezeigt, dass CTA die Abschneideenergie von RX J0852.0-4622 signifikant besser bestimmen können wird. Diese genauere Vermessung des Energiespektrums sollte dazu beitragen, den hadronischen oder leptonischen Charakter der Emission aufzuklären., This work focuses on two different aspects of gamma-ray astronomy. On the one hand, it studies the instrumental challenge posed by the future CTA Observatory by estimating the amount of data to be collected. Based on an analysis of simulated data, the more demanding southern array is expected to have an array trigger rate of 13 kHz, a data rate of up to 2500 MB/s and a data volume after 15 yr of operation and assuming a duty cycle of 15% of up to 165 PB. The design of the data acquisition and storage systems will be a challenge but should be manageable with existing technologies. On the other hand, it studies supernova remnants, by presenting analysis results of the gamma-ray data of the RX J0852.0-4622 supernova remnant (commonly known as Vela Junior) measured with the operating H.E.S.S. experiment and interpreting them in order to check the plausibility of RX J0852.0-4622 being a cosmic ray accelerator. The more precise measurements permit a better determination of the parent particle population properties with respect to previous publications. More precisely, a clear curvature of the spectrum of RX J0852.0-4622 is measured with an exponential energy cut-off at 7.2 TeV. Finally, the analysis of simulated data shows that CTA should be able to significantly improve the determination of the spectral energy cut-off of RX J0852.0-4622, which should help in identifying the nature of the gamma-ray emission.

Active Galactic Nuclei (AGN) have been discovered more than 50 years ago and yet they remain mysterious. Although we are sure they are powered by a supermassive black hole fed by an accretion disk and that they sometimes display a relativistic jet, the links between the black hole, the disk and the jet along with the acceleration and emission mechanisms are still unclear. Leptonic and hadronic models managing both in explaining the spectral energy distribution (SED) of blazars at high energy (in the GeV-TeV range), there is a degeneracy. However, blazars are known to be highly variable in all wavelengths. This variability can trace the mechanisms at play in the central engine and in the jet, giving a tool to discriminated between different processes.Gamma-ray astronomy started in the 60s to probe the high energy universe and find the origin of the cosmic-ray radiation. Several high energy sources were discovered and AGN were classified as the most energetic ones.The advent of the third generation of Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (IACT), including the H.E.S.S. experiment, help gathering more data at very high energy (VHE) in order to understand better these objects. Space-based telescope like the Fermi-LAT, looking at gamma-rays in the GeV range, are used as well to cover all the high energy range of the emission. High energy data are of great importance because this is where the degeneracy between models appears and data are needed to build long term light curves.This thesis presents different projects I worked on during these three years. Each of them aims to have a better understanding of the blazars. For this I used two different approaches. The first one was doing population studies at TeV with the H.E.S.S. telescopes, either by looking at all the TeV sky observed by H.E.S.S. with the HEGS project or by trying to detect new objects, rare at TeV, to probe what we call the blazar sequence. The second approach was the detailed variability analysis of one particular blazar. The long term multi-wavelength variability study of the blazar PKS 2155-304 revealed an interesting behaviour, allowing to probe up to the accretion mechanism. The time series analysis methods developed for this study can be used in a more systematic way for population studies with a variability perspective rather than the SED one., Les noyaux actifs de galaxie (AGN pour Active Galactic Nuclei en anglais) ont été découverts il y a maintenant plus de 50 ans mais restent entourés de mystère. Bien que nous soyons sûrs qu’ils tirent leur énergie d’un trou noir supermassif entouré d’un disque d’accrétion et qu’ils disposent parfois d’un jet relativiste, les liens entre le trou noir, le disk et le jet, de même que les mécanismes d’accélération et d’émission, restent flous. Les modèles leptoniques et hadroniques arrivent tout deux à expliquer la distribution spectrale en énergie (SED pour Spectral Energy Distribution en anglais) des blazars à haute énergie (dans le domaine du GeV-TeV), donnant une dégénérescence. Cependant, les blazars sont connus pour leur variabilité, parfois extrême, dans toutes les longueurs d’onde. Cette variabilité peut nous aider à remonter aux mécanismes en jeu dans le noyau et dans le jet, donnant un outil pour discriminer entre différents processus.L’astronomie gamma est née dans les années 60 pour explorer notre univers aux hautes énergies et trouver l’origine du rayonnement cosmique. Plusieurs sources gamma ont été découvertes depuis et les AGN ont été classifiés comme les objets les plus extrêmes.L’avènement de la troisième génération de télescopes à imagerie Cherenkov, dont les télescopes H.E.S.S. font partie, a permis de recueillir plus de données à très haute énergie (E > 100 GeV) pour mieux comprendre les AGN. Les télescopes spatiaux comme le Fermi-LAT, qui détecte les gamma dans la gamme du MeV-GeV, permettent de couvrir le reste de la gamme haute énergie de l’émission des blazars. Les données à haute énergie sont particulièrement importantes car c’est dans cette gamme que la dégénérescence entre les modèles apparaît et nous avons besoin de données pour construire des courbes de lumière sur le long terme.Cette thèse présente différents projets sur lesquels j’ai travaillé durant ces trois ans. Chacun d’eux a pour but final une meilleure compréhension des blazars. Pour cela, j’ai eu deux approches différentes. Une première approche a été de faire des études de population au TeV avec les télescopes H.E.S.S., soit en regardant tous le ciel observé par H.E.S.S. avec le projet HEGS ou en essayant de détecter de nouveaux objets rare à ces énergies pour sonder ce qu’on appelle la séquence blazar. La seconde approche a consisté en une étude de variabilité approfondie d’un blazar particulier. L’étude multi-longueur d’onde de la variabilité long terme du blazar PKS 2155-304 a révélé un comportement intéressant, permettant de sonder les mécanismes d’émission jusqu’à ceux d’accrétion. Les méthodes d’analyse temporelle développées pour cette étude peuvent être utilisées de manière plus systématique pour étudier les blazars dans une perspective de variabilité plutôt que seulement sur leur SED.

The High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) is one of the three arrays of imaging atmospheric Cherenkov telescopes (IACTs) currently in operation. It is composed of four 12-meter telescopes and a 28-meter one, and is sensitive to gamma rays in the energy range ~30 GeV - 100 TeV. The cameras of the 12-m telescopes recently underwent a substantial upgrade, with the goal of improving their performance and robustness. The upgrade involved replacing all camera components except for the photomultiplier tubes (PMTs). This meant developing new hardware for the trigger, readout, power, cooling and mechanical systems, and new software for camera control and data acquisition. Several novel technologies were employed in the cameras: the readout is built around the new NECTAr digitizer chip, developed for the next generation of IACTs; the camera electronics is fully controlled and read out via Ethernet using a combination of FPGA and embedded ARM computers; the software uses modern libraries such as Apache Thrift, ZMQ and Protocol buffers. This work describes in detail the design and the performance of the upgraded cameras., Comment: 35 pages, 14 figures, accepted for publication in "Astroparticle physics"

The Galactic center (GC) is a very rich and complex astrophysical region. The high supernovae (SN) rateassociated with the strong massive star formation should create a sustained cosmic rays (CR) injection in the GC via theshocks they produce. This region also harbors a Super-Massive Black Hole (SMBH) of 4 × 10 6 Msun , named Sgr A*. Since ithas been argued that the SMBH might also accelerate particles up to very high energies (VHE), its current and past activitycould contribute to the CR population. In 2006, the H.E.S.S. collaboration revealed the presence of a VHE diffuse emissionin the inner 100 pc of the Galaxy in close correlation with the molecular matter spread in the central molecular zone (CMZ).A major part of this emission is thus certainly of hadronic origin but it still remains mysterious. We report a new detailedspectral and morphological analysis of this region using 10 years of H.E.S.S. observations as well as a detailed modelling of theγ-ray emission induced by the SNe. We study the impact of the spatial and temporal distribution of SNe in the CMZ on theVHE emission morphology and spectrum: we built a 3D model of VHE CR injection and diffusive propagation with a realisticgas distribution. The contribution of SNe can not be neglected. We show that a peaked γ-ray profile and CR excess towardsthe GC, can be obtained using realistic SN spatial distribution taking into account the central massive star clusters. A strongdependence on the morphology of the emission with the energy is expected in this scenario. The CR density profile can alsobe reproduced by a unique stationary injection at the center by Sgr A* but it implies a stable morphology across the energyrange. To distinguish the models, we need a 3D analysis. We present the first results of this analysis that we started to designin the software Gammapy to simultaneously fit a spectral and morphological model to the data. The observations of complexmorphological regions with diffuse emission or multiple sources will become more and more numerous with the next generationinstruments such as the Cherenkov Telescope Array. They will also require the development of this technique. We detail thefirst validations of this method on point sources using a Monte Carlo tool. For the ridge emission, we report the new spectrumusing a method that we developed for the classical spectral fitting necessary for faint emission. By using new spatial templatesto describe the complexity of the diffuse emission, we perform a morphological analysis in different energy bands independently.No significant variation is found but more observations are needed to give a conclusive statement as well as a real 3D analysisin the GC region. The observations of CTA will allow to give precise answers to these questions., Le centre Galactique (GC) est une région très riche et complexe. Le taux de supernovae (SN) associé à la for-mation d’étoiles massives y est très élevée et devrait créer une injection continue de rayons cosmiques (CRs) dans le GC àtravers les chocs qu’elles produisent. Cette région abrite également un trou noir supermassif (SMBH) de 4 × 10 6 Msolaire , nomméSgr A*. De nombreux arguments ont permis de montrer que le SMBH pouvait accélérer des particules à très haute énergie(VHE); son activité actuelle et passée pourrait donc également contribuer à la population de CRs. En 2006, la collaborationH.E.S.S. a révélé la présence d’une émission diffuse à VHE dans les 100 pc centraux de la Galaxie, très corrélée à la distributionde matière moléculaire répartie dans la zone moléculaire centrale (CMZ). Une partie importante de cette émission a donc trèsprobablement une origine hadronique mais celle-ci reste toujours inconnue. Nous présentons une nouvelle analyse spectrale etmorphologique détaillée de la région en utilisant 10 ans de prise de données de H.E.S.S. ainsi qu’une modélisation de l’émissionγ induite par les SNe. Nous étudions l’impact de la distribution temporelle et spatiale des SNe dans le CMZ sur la morphologieet le spectre de l’émission: nous construisons un model 3D d’injection de CRs à VHE et d’une propagation diffusive dans larégion avec une distribution de gaz réaliste. La contribution des SNe ne peut pas être négligée. Nous montrons qu’un profilpiqué de rayon γ ainsi qu’un excès de CRs vers le GC peuvent être obtenus en utilisant une distribution spatiale réaliste de SNeprenant en compte les amas d’étoiles massives centraux. La morphologie de l’émission est très dépendante de l’énergie dans cescénario. Le profil de densité de CRs peut également être reproduit avec une injection stationnaire unique au centre par Sgr A*mais cela implique alors une morphologie stable en énergie. L’utilisation d’une analyse 3D est donc nécessaire pour distinguerles modèles. Nous présentons les premiers résultats de cette analyse que nous avons développé dans la librairie Gammapyafin d’ajuster simultanément un spectre et une morphologie sur des données. Avec la prochaine génération d’instrumentscomme le Cherenkov Telescope Array, les observations de régions avec une morphologie complexe, avec une émission diffuseou de multiples sources, vont devenir de plus en plus nombreuses. Elles nécessitent donc également le développement de cettetechnique. Nous détaillons les premières validations de cette méthode appliquée sur des sources ponctuelles avec un outilMonte Carlo. Pour l’émission diffuse, nous présentons le nouveau spectre obtenu en utilisant une méthode que nous avonsdéveloppée pour l’extraction spectrale 1D classique. Nous réalisons par ailleurs une analyse morphologique dans différentesbandes en énergie indépendantes en utilisant de nouveaux modèles spatiaux. Pour l’instant, aucune variation significativen’est détectée mais des observations supplémentaires sont nécessaires ainsi qu’une vraie analyse 3D de la région du GC pourpouvoir donner une conclusion définitive. Les observations de CTA permettront de donner des réponses précises à ces questions.

MSc (Space Physics), North-West University, Potchefstroom Campus, 2016 In the last decade, ground-based Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes have discovered about 175 very-high-energy (VHE; E > 100 GeV) gamma-ray sources, with more to follow with the development of H.E.S.S. II and CTA. Nearly 40 of these are confirmed pulsar wind nebulae (PWNe). We present results from a leptonic emission code that models the spectral energy density of a PWN by solving a Fokker-Planck-type transport equation and calculating inverse Compton and synchrotron emissivities. Although models such as these have been developed before, most of them model the geometry of a PWN as that of a single sphere. We have created a time-dependent, multi-zone model to investigate changes in the particle spectrum as the particles traverse through the PWN, by considering a time and spatially-dependent magnetic field, spatially-dependent bulk particle motion causing convection, diffusion, and energy losses (SR, IC and adiabatic). Our code predicts the radiation spectrum at different positions in the nebula, yielding novel results, e.g., the surface brightness versus the radius and the PWN size as function of energy. We calibrated our new model against more basic models using the observed spectrum of PWN G0.9+0.1, incorporating data from H.E.S.S. as well as radio and X-ray experiments. We fit our predicted radiation spectra to data from G21.5-0.9, G54.1+0.3, and HESS J1356-645 and found that our model yields reasonable results for young PWNe. We next performed a parameter study which gave significant insight into the behaviour of the PWN for different scenarios. Our model is now ready to be applied to a population of PWNe to probe possible trends such as the surface brightness as a function of spin-down of the pulsar. Masters

The phase II of the H.E.S.S. experiment (High Energy Stereoscopic System) consists of five imaging atmospheric Cherenkov telescopes to study the southern astrophysical sources above 30 GeV. This thesis present the detector as well as the analysis chain, with a deep look on the fifth telescope commissioned on July 2012. The calibration method are described in detail. Then, an analysis based on a semi-analytical model of the electromagnetic shower development in the atmosphere is explained. A tool to reconstruct the energy spectrum of the very high energy gamma ray sources is presented. The methods of gamma ray selection among the hadron background are studied. Especially, the development of a new variable using the temporal data of the fifth telescope for the background rejection is shown. A systematic study of the analysis performances and of the selection cuts is accomplished, in order to reach the lowest energy threshold while keeping control of the background subtraction. The Galactic Centre has long been observed by H.E.S.S., which has detected a bright and punctual source at very-high energy as well as a diffuse emission along the Galactic plan. The Galactic Centre observations performed by the phase II of H.E.S.S. during the year 2014 are presented. A spectral reconstruction of the central source is performed.; La phase II de l’expérience H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) est constituée de cinq télescopes à imagerie Cherenkov dédiés à l’observation de sources astrophysiques de l’hémisphère sud émettant des photons au-delà de 30 GeV. Cette thèse présente le fonctionnement de cet instrument ainsi que toute la chaîne d’analyse associée avec une attention particulière sur le cinquième télescope mis en opération en juillet 2012. Les méthodes d’étalonnage du système sont détaillées. Ensuite, une méthode d’analyse des données, basée sur un modèle semi-analytique de développement des gerbes électromagnétiques dans l’atmosphère, est expliquée. Une méthode de reconstruction du spectre en énergie des sources de photon gamma de haute énergie est présentée. Les méthodes de sélection des photons gamma parmi le bruit de fond de hadrons sont étudiées. En particulier, le développement d’une nouvelle variable de rejet du bruit de fond utilisant les données temporelles du cinquième télescope est exposé. Une étude systématique des performances de l’analyse ainsi que des coupures de sélection des photons gamma est effectuée dans le but d’atteindre le plus bas seuil en énergie possible en contrôlant la soustraction du bruit de fond. Le Centre Galactique a longuement été observé par H.E.S.S., qui a mis à jour une source ponctuelle très brillante à très haute énergie ainsi qu’une une émission diffuse le long du plan Galactique. Les observations du Centre Galactique par la phase II de H.E.S.S. au cours de l’année 2014 sont présentées. Une reconstruction spectrale de la source centrale est effectuée.

The phase II of the H.E.S.S. experiment (High Energy Stereoscopic System) consists of five imaging atmospheric Cherenkov telescopes to study the southern astrophysical sources above 30 GeV. This thesis present the detector as well as the analysis chain, with a deep look on the fifth telescope commissioned on July 2012. The calibration method are described in detail. Then, an analysis based on a semi-analytical model of the electromagnetic shower development in the atmosphere is explained. A tool to reconstruct the energy spectrum of the very high energy gamma ray sources is presented. The methods of gamma ray selection among the hadron background are studied. Especially, the development of a new variable using the temporal data of the fifth telescope for the background rejection is shown. A systematic study of the analysis performances and of the selection cuts is accomplished, in order to reach the lowest energy threshold while keeping control of the background subtraction. The Galactic Centre has long been observed by H.E.S.S., which has detected a bright and punctual source at very-high energy as well as a diffuse emission along the Galactic plan. The Galactic Centre observations performed by the phase II of H.E.S.S. during the year 2014 are presented. A spectral reconstruction of the central source is performed.; La phase II de l’expérience H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) est constituée de cinq télescopes à imagerie Cherenkov dédiés à l’observation de sources astrophysiques de l’hémisphère sud émettant des photons au-delà de 30 GeV. Cette thèse présente le fonctionnement de cet instrument ainsi que toute la chaîne d’analyse associée avec une attention particulière sur le cinquième télescope mis en opération en juillet 2012. Les méthodes d’étalonnage du système sont détaillées. Ensuite, une méthode d’analyse des données, basée sur un modèle semi-analytique de développement des gerbes électromagnétiques dans l’atmosphère, est expliquée. Une méthode de reconstruction du spectre en énergie des sources de photon gamma de haute énergie est présentée. Les méthodes de sélection des photons gamma parmi le bruit de fond de hadrons sont étudiées. En particulier, le développement d’une nouvelle variable de rejet du bruit de fond utilisant les données temporelles du cinquième télescope est exposé. Une étude systématique des performances de l’analyse ainsi que des coupures de sélection des photons gamma est effectuée dans le but d’atteindre le plus bas seuil en énergie possible en contrôlant la soustraction du bruit de fond. Le Centre Galactique a longuement été observé par H.E.S.S., qui a mis à jour une source ponctuelle très brillante à très haute énergie ainsi qu’une une émission diffuse le long du plan Galactique. Les observations du Centre Galactique par la phase II de H.E.S.S. au cours de l’année 2014 sont présentées. Une reconstruction spectrale de la source centrale est effectuée.

The fifth telescope (CT5) of the H.E.S.S. array (High Energy Stereoscopic System) was inaugurated in 2012. H.E.S.S. is designed to scrutinize the southern γ ray sky and CT5, whose threshold is about 30 GeV, allowed the Vela pulsar detection in 24 hours observation time. Some quantum gravity (QG) scenarios predict a violation of Lorentz invariance (LIV). This could manifest by additional terms ∝(E/EQG)n to the photon dispersion relations, where E is the light quantum energy, EQG the typical scale at which QG processes are expected to occur and n the order of the correction. This energy dependence could be tested by time of flight measurements between photons emitted from variable (active galactic nuclei), transient (gamma ray bursts) or periodical (pulsars) astrophysical sources. This thesis presents the analysis of the CT5 collected data from the Vela pulsar. A maximum likelihood method already successfully applied to other source species has been adapted here to the Vela pulsar. No deviation from standard photon dispersion relations is observed, therefore limits have been placed on EQG. The most restrictive result has been obtained for a superluminal linear correction to the dispersion relations EQG > 7.0×1015 GeV.; Le cinquième télescope (CT5) du réseau H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) a été inauguré en 2012. H.E.S.S. est destiné à l’observation du ciel austral dans le domaine des rayons γ et CT5, dont le seuil est d’environ 30 GeV, a permis la détection du pulsar de Vela après 24 heures d’observations. Certains scénarios de gravitation quantique (QG) prédisent une violation d’invariance de Lorentz (LIV). Celle-ci se manifeste par l’ajout de termes ∝(E/EQG)n aux relations de dispersion du photon, où E est l’énergie du quanta de lumière, EQG l’énergie caractéristique des processus de QG et n l’ordre de la correction. Cette dépendance en énergie peut être testée par des mesures de temps de vol entre photons reçus de sources astrophysiques variables (noyaux actifs de galaxies), transitoires (sursauts γ) ou encore périodiques (pulsars). Cette thèse présente l’analyse des données recueillies par CT5 sur le pulsar de Vela. Une méthode de maximum de vraisemblance ayant déjà montré sa robustesse sur d’autres types de sources a été adaptée au cas du pulsar de Vela. Aucune déviation des relations de dispersion standard n’est observée, par conséquent des limites sont placées sur EQG. La plus contraignante est obtenue pour une correction linéaire superluminique aux relations de dispersion EQG > 7.0×1015 GeV.

The Universe is full of gravitational evidence of a dominant invisible Dark Matter (DM) component at the Galactic and cosmological scales. Although its nature is still one of the major puzzles of the 21st Century, Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) are an excellent scenario for matching theoretical predictions with observations and simulations. In particular, their self-annihilations would give rise to characteristic spectral signatures in γ-rays, detectable at Very High Energies (VHE) with the H.E.S.S. telescope array in regions such as the Galactic Centre (GC) and Dwarf Spheroidal Galaxies (dSphs). The standard ON-OFF analysis method is applied in the observation of the Sagittarius dSph where a ~3σ hotspot is observed above 300 GeV, although more statistics is required to conclude on its potential DM origin. The second part of the work is focused on the search for monochromatic γ-ray line signatures in the GC region. A Full Likelihood method has been developed, calibrated with Monte-Carlo simulations and applied to a sub-sample of a 20h dataset acquired in 2014. No excess signal is found, thus leading to limits on the DM annihilation cross-section down to a 100 GeV mass range, the sensitivity at the lowest energies being achieved by the 5th H.E.S.S. telescope added in 2012. These limits efficiently fill the gap in mass between results from Fermi-LAT and the first phase of H.E.S.S. On the other side the analysis of the complete dataset is expected to exclude the 130 GeV line-like feature recently reported in the Fermi-LAT data, with more than 95% CL, and to provide the most constraining DM limits so far on γ-ray line emission in the VHE range.; L’Univers est dominé par une composante invisible appelée Matière Noire (MN), de nature inconnue mais dont les effets gravitationnels sur la matière visible sont clairement observés. Il a été proposé que la MN soit constituée de particules massives et interagissant faiblement avec la matière, permettant ainsi de concilier théorie, observations et simulations. L’annihilation de ces particules dans les régions où la MN est fortement concentrée pourrait produire des rayons γ de très haute énergie dont les signatures spectrales peuvent être détectées par le réseau de télescopes H.E.S.S. Un excès à ~3σ est observé dans la direction de la Galaxie Naine du Sagittaire, avec la méthode standard d’analyse ON-OFF. Plus de données sont nécessaires pour conclure quant à son origine. La seconde partie du travail concerne la recherche de raies spectrales en γ dans la région du Centre Galactique. Une méthode de Maximum de Vraisemblance Complète a été développée, étalonnée et appliquée à une fraction d’un ensemble de 20h de données prises en 2014. Aucun excès de γ n’étant observé, des limites sur la section efficace d’annihilation de la MN sont produites pour des masses de 100 GeV à 2 TeV, la sensibilité de H.E.S.S. à basse énergie étant obtenue par l’ajout d’un 5ème télescope depuis 2012. Ces limites complètent efficacement les précédents résultats de Fermi-LAT et H.E.S.S. D’autre part l’analyse finale devrait permettre d’exclure un potentiel signal à 130 GeV observé dans les données de Fermi-LAT en 2012 et ce avec plus de 95% CL, et de proposer les limites les plus solides à ce jour sur les modèles d’émission de raies spectrales en γ dans le domaine d’énergie couvert par H.E.S.S.

The Universe is full of gravitational evidence of a dominant invisible Dark Matter (DM) component at the Galactic and cosmological scales. Although its nature is still one of the major puzzles of the 21st Century, Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) are an excellent scenario for matching theoretical predictions with observations and simulations. In particular, their self-annihilations would give rise to characteristic spectral signatures in γ-rays, detectable at Very High Energies (VHE) with the H.E.S.S. telescope array in regions such as the Galactic Centre (GC) and Dwarf Spheroidal Galaxies (dSphs). The standard ON-OFF analysis method is applied in the observation of the Sagittarius dSph where a ~3σ hotspot is observed above 300 GeV, although more statistics is required to conclude on its potential DM origin. The second part of the work is focused on the search for monochromatic γ-ray line signatures in the GC region. A Full Likelihood method has been developed, calibrated with Monte-Carlo simulations and applied to a sub-sample of a 20h dataset acquired in 2014. No excess signal is found, thus leading to limits on the DM annihilation cross-section down to a 100 GeV mass range, the sensitivity at the lowest energies being achieved by the 5th H.E.S.S. telescope added in 2012. These limits efficiently fill the gap in mass between results from Fermi-LAT and the first phase of H.E.S.S. On the other side the analysis of the complete dataset is expected to exclude the 130 GeV line-like feature recently reported in the Fermi-LAT data, with more than 95% CL, and to provide the most constraining DM limits so far on γ-ray line emission in the VHE range.; L’Univers est dominé par une composante invisible appelée Matière Noire (MN), de nature inconnue mais dont les effets gravitationnels sur la matière visible sont clairement observés. Il a été proposé que la MN soit constituée de particules massives et interagissant faiblement avec la matière, permettant ainsi de concilier théorie, observations et simulations. L’annihilation de ces particules dans les régions où la MN est fortement concentrée pourrait produire des rayons γ de très haute énergie dont les signatures spectrales peuvent être détectées par le réseau de télescopes H.E.S.S. Un excès à ~3σ est observé dans la direction de la Galaxie Naine du Sagittaire, avec la méthode standard d’analyse ON-OFF. Plus de données sont nécessaires pour conclure quant à son origine. La seconde partie du travail concerne la recherche de raies spectrales en γ dans la région du Centre Galactique. Une méthode de Maximum de Vraisemblance Complète a été développée, étalonnée et appliquée à une fraction d’un ensemble de 20h de données prises en 2014. Aucun excès de γ n’étant observé, des limites sur la section efficace d’annihilation de la MN sont produites pour des masses de 100 GeV à 2 TeV, la sensibilité de H.E.S.S. à basse énergie étant obtenue par l’ajout d’un 5ème télescope depuis 2012. Ces limites complètent efficacement les précédents résultats de Fermi-LAT et H.E.S.S. D’autre part l’analyse finale devrait permettre d’exclure un potentiel signal à 130 GeV observé dans les données de Fermi-LAT en 2012 et ce avec plus de 95% CL, et de proposer les limites les plus solides à ce jour sur les modèles d’émission de raies spectrales en γ dans le domaine d’énergie couvert par H.E.S.S.

The development of multi-wavelength observations of active galactic nuclei nowadays allows to reach a quasi-full coverage of their emission from radio to the highest reachable energies, in the TeV domain, by the Cherenkov telescopes. Consequently, the emission models of these sources are increasingly constraints, in particular for blazars where standard one zone synchrotron self-Compton (SSC) emission scenarios are regularly disproved by this new information flow. The main subject of this thesis is the in-depth study of blazars called « intermediates » between the two spectral categories identified long-time ago which are BL Lacs and FSRQs (for flat spectrum radio quasars).In a first stage we lead a complete study of the intermediate blazar Ap Librae for which we show that the extended jet basis play a very significant role in the overall source radiation. For this study we present the development of a SSC multi-zones code dealing in a consistent way the radiative interactions between the different components. Thereafter we are focusing on the radio features of the jet, observed by very long baseline interferometry (VLBI), being able to be used to constrain effectively the physical and geometrical parameters of the model. This study allows to deduce a strong link between the observed jet radio knots and the compact zone which emits in gamma-rays.In a second stage we characterize a blazar population by the radio spectra study, which like Ap Librae shows a relatively strong jet compared to the emission of the compact SSC zone. We propose a new blazar classification based on kinematic properties of VLBI jets in a sample of 167 sources selected in the MOJAVE database. A good correlation between VLBI kinematic properties and spectral classes is found and highlight the presence of an intermediate class. Hence we check the consistence of peculiar properties of this class in the general blazar unification scheme.This thesis being also within the H.E.S.S. collaboration, we present the analysis results of recently detected or very promising sources at very high energies. We expose also the last developments of a method which could improve the astrometric accuracy of the H.E.S.S. array by a star tracking on the cameras.; Le développement des observations multi-longueurs d'onde des noyaux actifs de galaxies permetaujourd'hui d'atteindre une couverture quasi complète de leur rayonnement depuis la radio jusqu'auxplus hautes énergies accessibles, du domaine du TeV, par les télescopes Tcherenkov.Les modèles d'émissions de ces sources se trouvent de plus en plus contraints, en particulier pourles blazars où les scénarios standards de type Synchrotron Self Compton (SSC) à une zone sontrégulièrement mis en défaut par ce nouveau flot d'informations.Le sujet principal de cette thèse est l'étude approfondie des blazars dits « intermédiaires » entre lesdeux catégories spectrales depuis longtemps identifiées que sont les BL Lacs et les FSRQs (pourflat spectrum radio quasars).En première approche nous menons une étude complète du blazar intermédiaire Ap Librae pourlequel nous montrons que la base du jet étendu joue un rôle très significatif dans le rayonnementglobal de la source. Pour cette étude nous présentons le développement d'un code SSC multi-zonestraitant de manière cohérente les interactions radiatives entre les différentes composantes.Nous nous concentrons ensuite sur les caractéristiques radio observées par « very large baselineinterferometry » (VLBI) du jet pouvant être utilisées pour contraindre efficacement les paramètresphysiques et géométriques du modèle, et déduisons un lien fort entre les nodules radios observésdans le jet et la zone compacte émettant en gamma.En seconde approche nous caractérisons une population de blazars par l'étude des spectres radios,qui à l'instar d'Ap Librae présentent un jet relativement puissant devant l'émission d'une zonecompacte SSC. Nous proposons une classification nouvelle des blazars basée sur les propriétéscinématiques des jets VLBI dans un échantillon de 167 sources sélectionnées dans la base dedonnées de la collaboration MOJAVE. La présence d'une corrélation entre la cinématiqueradio et la classe spectrale met en avant la nature de cette classe intermédiaire, dont nous vérifionspar la suite la cohérence dans un scénario d'unification des blazars.Cette thèse étant également au sein de la collaboration du réseau de télescopes TcherenkovH.E.S.S., nous présentons les résultats d'analyse de sources nouvellement détectées ou trèsprometteuses aux très hautes énergies. Nous exposons aussi les développements récents d'uneméthode d'amélioration de la précision astrométrique du réseau par le suivi d'étoiles sur les caméras.

Erste Anzeichen für die Existenz von Dunkler Materie wurden 1933 entdeckt. Der Astrophysiker Fritz Zwicky beobachtete die Geschwindigkeitsverteilung im Coma Cluster und fand dabei heraus, dass 400 mal mehr Materie im Galaxie Haufen sein muss, damit dieser gravitativ gebunden sein kann oder der Galaxie Haufen würde sich aufösen. Trotz erheblicher Bemühungen über die letzten 80 Jahre ist nicht viel über Dunkle Materie bekannt. Das einzige was man weiÿ ist, dass Dunkle Materie gravitativ aber nicht elektromagnetisch wechselwirkt und Dunkle Materie stellt den gröÿten Bestandteil der Materie im Universum da. Doch derzeitige Experimente die nach Dunkler Materie suchen, sowohl direkte Suchen als auch indirekte, beginnen sensitiv genug zu werden um interessante Parameterbereiche von Dunkle Materie Kandidaten zu untersuchen wie das leichteste Super-symmetrische Teilchen, was bedeutet, dass die Entdeckung von Dunkler Materie in der nahen Zukunft sein könnte. In dieser Arbeit wird eine Signalsummierung von H.E.S.S. Zwerg Galaxien Daten durchgeführt und obere Ausschlussgrenzen berechnet. Weiterhin wird die Leistung einer Dunklen Materie Suche im galaktischen Zentrum durch CTA präsentiert für verschiedene mögliche Teleskop Anordnungen und verschiedene Annihilation Kanäle. Die Ergebnisse werden zeigen, dass CTA in der Lage sein wird geschwindigkeitsgemittelte Annihilations Wirkungsquerschnitte von 3 * 10^-26 cm^3s^1 und geringer, der geschwindigkeitsgemittelte Annihilations Wirkungsquerschnitt der für schwach wechselwirkende Dunkle Materie erwartet wird, in 100 h zu erreichen. Diese Beobachtungszeit kann innerhalb von ein bis zwei Jahren erreicht werden. First indications for the existence of Dark Matter appeared in 1933. The astrophysicist Fritz Zwicky observed the velocity dispersion of the Coma Cluster and found out that 400 times the visible mass must be contained in the galaxy cluster or the cluster could not be gravitationally bound and would disperse.Despite extensive efforts over the last 80 years not much is known about Dark Matter. The facts known are that Dark Matter interacts via gravitation, does not interact electromagneticly and is the main constituent of matter. But current experiment searching for Dark Matter directly and indirectly begin to reach sensitivities that can probe interesting parameter spaces for Dark Matter candidates like the lightest supersymmetric particle, meaning the first Dark Matter detections could happen in the near future.In this thesis a dwarf stacking analysis for Dark Matter signal search using H.E.S.S. data is performed and a upper limit is calculated. Furthermore the prospect for a Dark Matter search with CTA in the galactic center region of the Milky Way is presented for different candidate arrays and different annihilation channels. The results will show that CTA will be able to reach velocity annihilation below 3 *10^-26 cm^3s^-1, the velocity annihilation crosssection expected for a weakly interacting Dark Matter particle, within 100 h of observation which can reasonably be acquired within one to two years.

The High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) is an array of five Imaging Atmospheric \v{C}erenkov Telescopes (IACT) located in the Southern Hemisphere, whose primary goal is the study of cosmic gamma-rays in the 30 GeV - few tens of TeV energy range. The detection technique used by IACT as well as the specificities of the reconstruction method of H.E.S.S. I (first phase of the H.E.S.S. experiment) are fully described in this thesis. After more than ten years of activity the H.E.S.S. experiment has registered a large amount of data. In addition to the regions of interest that its detectors probe and where astrophysical sources were unveiled, many events collected provide useful information on their surrounding environment. Indeed, acting as a background to the active sources, one can find the diffuse emissions, which are not well understood and yet are of significant interest for astrophysics, particle physics, cosmology and even physics beyond standard models, such as the search for dark matter. The diffuse emissions and their previous studies are presented in this thesis, as well as their possible origin, starting from the acceleration of cosmic-rays mechanism and the gamma-ray production in the active sources or from secondary process involving cosmic-rays interactions in the interstellar medium.In this work, tools to investigate the diffuse emissions were developed. The approach aims at disentangling the different components of the studied data so as to extract an estimation of their weight in the spectrum. It takes into account two aspects, explained separately in this thesis. On the one hand, the morphology of the active source in the studied field of view is used to modelize it and obtain its spectrum. Then, to disentangle the different contributions in the background, the method is based on probability density functions (PDF) built with discriminant variables. The necessary preliminary study and manipulation of the discriminant variables is also detailed. Well known astrophysical sources are used as benchmarks for the analysis. The resulting spectra for the active source, diffuse electrons and hadrons are presented and discussed, in addition to an upper limit on the extragalactic diffuse gamma-ray emission flux. The associated systematic errors were estimated., High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) est un réseau de cinq télescopes à imagerie Cherenkov atmosphérique, localisé dans l’hémisphère sud, ayant pour but principal l’étude de rayons cosmiques couvrant une gamme d’énergie de 30 GeV à plusieurs dizaines de TeV. La technique de détection Cerenkov ainsi que les spécificités de la méthode de reconstruction employée par H.E.S.S. I (première phase de l’expérience H.E.S.S.), sont décrites dans cette thèse. Après plus de dix ans d’activité, l’expérience H.E.S.S. a enregistré une quantité de données importante. En plus des régions d’intérêts sondées par ces détecteurs, où des sources astrophysiques ont déjà été dévoilées, l’étude d’événements collectés permet d’améliorer la compréhension de leur environnement sous-jacent. En effet, des émissions diffuses encore non-comprises se superposent aux rayonnements provenant de sources actives. Elles sont pourtant d’un intérêt significatif en astrophysique, physique des particules, cosmologie et même dans certains domaines de physique au-delà des modèles standards, tel que la recherche de matière noire. Les émissions diffuses et leurs précédentes études sont présentées dans cette thèse, ainsi que leurs possibles origines, depuis les mécanismes d’accélération de rayons cosmiques jusqu’à la production de rayon gamma dans les sources actives ou encore par des processus secondaires impliquant les interactions de rayons cosmiques avec le milieu interstellaire. Dans ce travail, des outils pour étudier les émissions diffuses ont été développés. L’approche choisie permet de distinguer les différentes composantes dans les données étudiées et extraire une estimation de leur poids dans le spectre. Elle prend en compte deux aspects, expliqués séparément dans cette thèse. Dans un premier temps, la morphologie de la source active présente dans le champ de vue est utilisée pour la modéliser et obtenir son spectre. Ensuite, pour distinguer les différentes contributions du fond, la méthode se base sur des fonctions de densité de probabilité construites à partir de variables discriminantes. L’étude et manipulation préliminaires nécessaires des variables discriminantes sont également détaillées. Des sources astrophysiques connues sont utilisées comme référence pour l’analyse. Les spectres résultants pour la source active, les électrons et hadrons diffus sont présentés et discutés, ainsi qu’une limite supérieure sur le flux de l’émission diffuse gamma extragalactique. Les erreurs systématiques associées ont été estimées. Une technique de "unfolding" a été mise en place et utilisée pour vérifier les résultats pour les émissions diffuses.

The High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) experiment is an array of five Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (IACT) located in the Southern Hemisphere, whose primary goal is the study of cosmic gamma-rays in the few tens of GeV - tens of TeV energy range. The detection technique used by IACT as well as the specificities of the reconstruction method of H.E.S.S. I (first phase of the H.E.S.S. experiment) are fully described in this document. After more than ten years of activity, the H.E.S.S. experiment has registered a large amount of data. In addition to the regions of interest that its detectors probe and where astrophysical sources were unveiled, many events collected provide useful information on their surrounding environment. Indeed, acting as a background to the active sources, one can find the diffuse emissions, which are not well understood and yet are of significant interest for astrophysics, particle physics, cosmology and even physics beyond the standard model, such as the search for new particles in the framework of the study of the nature of dark matter. The diffuse emissions and their previous studies are presented in this document, as well as their possible origin, starting from the acceleration of cosmic-rays mechanism and the gamma-ray production in the active sources or from secondary process involving cosmic-rays interactions in the interstellar medium.In this work, tools to investigate the diffuse emissions were developed and implemented. The approach aims at disentangling the different components of the studied data so as to extract an estimation of their proportion and their weight in the spectrum. The method is based on probability density functions built with discriminant variables. The necessary preliminary study and treatment of the discriminant variables is also detailed. The resulting concentrations of each type of particle are presented, in addition to the first estimation of an upper limit on the extragalactic diffuse gamma-ray emission flux at TeV energies. A well known astrophysical source is used as benchmark for the analysis. Indeed, through the modelization of its reconstructed image and the subsequent estimation of its intensity, the developed method’s capability to disentangle particles can be evaluated. Lastly, two ways of reconstructing the diffuse electrons and hadrons spectra are explained and the results discussed.; L’expérience High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) est un réseau de cinq télescopes à imagerie Cherenkov atmosphérique, localisé dans l’hémisphère sud, ayant pour but principal l’étude de rayons cosmiques couvrant une gamme d’énergie de quelques dizaines de GeV à plusieurs dizaines de TeV. La technique de détection Cherenkov ainsi que les spécificités de la méthode de reconstruction employée par H.E.S.S. I (première phase de l’expérience H.E.S.S.), sont décrites dans ce document. Après plus de dix ans d’activité, l’expérience H.E.S.S. a enregistré une quantité de données importante. En plus des régions d’intérêts sondées par ces détecteurs, où des sources astrophysiques ont déjà été dévoilées, l’étude d’événements collectés permet d’améliorer la compréhension de leur environnement sous-jacent. En effet, des émissions diffuses encore non-comprises se superposent aux rayonnements provenant de sources actives. Elles sont pourtant d’un intérêt significatif en astrophysique, physique des particules, cosmologie et même dans certains domaines de physique au-delà du modèle standard, tel que la recherche de nouvelles particules à trouver dans le cadre de l’étude de la nature de la matière noire. Les émissions diffuses et leurs précédentes études sont présentées dans ce document, ainsi que leurs possibles origines, depuis les mécanismes d’accélération de rayons cosmiques jusqu’à la production de rayon gamma dans les sources actives ou encore par des processus secondaires impliquant les interactions de rayons cosmiques avec le milieu interstellaire.Dans ce travail, des outils pour étudier les émissions diffuses ont été développés et mises en œuvre. L’approche choisie permet de distinguer les différentes composantes dans les données étudiées et d’extraire une estimation de leur proportions et de leur poids dans le spectre. La méthode se base sur des fonctions de densité de probabilité construites à partir de variables discriminantes. L’étude et le traitement préliminaires nécessaires des variables discriminantes sont également détaillées. Les concentrations résultantes pour chaque type de particule sont présentées, ainsi que la première détermination d’une limite supérieure sur le flux de l’émission diffuse gamma extragalactique au TeV. Une source astrophysique connue est utilisée comme référence pour l’analyse; en utilisant la modélisation de la morphologie du signal détecté pour estimer son intensité, la capacité de discrimination de la méthode développée peut être évaluée. Pour finir, deux façons de reconstruire le spectre des électrons et hadrons diffus sont expliquées et les résultats discutés.

INTRODUCTION Neutrinos are tracers of cosmic-ray acceleration: electrically neutral and traveling at nearly the speed of light, they can escape the densest environments and may be traced back to their source of origin. High-energy neutrinos are expected to be produced in blazars: intense extragalactic radio, optical, x-ray, and, in some cases, γ-ray sources characterized by relativistic jets of plasma pointing close to our line of sight. Blazars are among the most powerful objects in the Universe and are widely speculated to be sources of high-energy cosmic rays. These cosmic rays generate high-energy neutrinos and γ-rays, which are produced when the cosmic rays accelerated in the jet interact with nearby gas or photons. On 22 September 2017, the cubic-kilometer IceCube Neutrino Observatory detected a ~290-TeV neutrino from a direction consistent with the flaring γ-ray blazar TXS 0506+056. We report the details of this observation and the results of a multiwavelength follow-up campaign. RATIONALE Multimessenger astronomy aims for globally coordinated observations of cosmic rays, neutrinos, gravitational waves, and electromagnetic radiation across a broad range of wavelengths. The combination is expected to yield crucial information on the mechanisms energizing the most powerful astrophysical sources. That the production of neutrinos is accompanied by electromagnetic radiation from the source favors the chances of a multiwavelength identification. In particular, a measured association of high-energy neutrinos with a flaring source of γ-rays would elucidate the mechanisms and conditions for acceleration of the highest-energy cosmic rays. The discovery of an extraterrestrial diffuse flux of high-energy neutrinos, announced by IceCube in 2013, has characteristic properties that hint at contributions from extragalactic sources, although the individual sources remain as yet unidentified. Continuously monitoring the entire sky for astrophysical neutrinos, IceCube provides real-time triggers for observatories around the world measuring γ-rays, x-rays, optical, radio, and gravitational waves, allowing for the potential identification of even rapidly fading sources. RESULTS A high-energy neutrino-induced muon track was detected on 22 September 2017, automatically generating an alert that was distributed worldwide within 1 min of detection and prompted follow-up searches by telescopes over a broad range of wavelengths. On 28 September 2017, the Fermi Large Area Telescope Collaboration reported that the direction of the neutrino was coincident with a cataloged γ-ray source, 0.1° from the neutrino direction. The source, a blazar known as TXS 0506+056 at a measured redshift of 0.34, was in a flaring state at the time with enhanced γ-ray activity in the GeV range. Follow-up observations by imaging atmospheric Cherenkov telescopes, notably the Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov (MAGIC) telescopes, revealed periods where the detected γ-ray flux from the blazar reached energies up to 400 GeV. Measurements of the source have also been completed at x-ray, optical, and radio wavelengths. We have investigated models associating neutrino and γ-ray production and find that correlation of the neutrino with the flare of TXS 0506+056 is statistically significant at the level of 3 standard deviations (sigma). On the basis of the redshift of TXS 0506+056, we derive constraints for the muon-neutrino luminosity for this source and find them to be similar to the luminosity observed in γ-rays. CONCLUSION The energies of the γ-rays and the neutrino indicate that blazar jets may accelerate cosmic rays to at least several PeV. The observed association of a high-energy neutrino with a blazar during a period of enhanced γ-ray emission suggests that blazars may indeed be one of the long-sought sources of very-high-energy cosmic rays, and hence responsible for a sizable fraction of the cosmic neutrino flux observed by IceCube.

This manuscript is about high energy gamma-ray astronomy (between ~30 MeV and ~300 GeV) with the Fermi-LAT satellite and very high energy gamma-ray astronomy (above ~100GeV) via the H.E.S.S. experiment. The second phase of the H.E.S.S. experiment began in July 2012 with the inauguration of a fifth 28m-diameter telescope added to the intial array composed of four 12m-diameter imaging atmospheric Cherenkov telescopes. In the first part of this thesis, we present the development of an analysis in hybrid mode based on a multivariate method dedicated to detect and study sources with different spectral shapes and the first analysis results on real data. The second part is dedicated to the research of blazar candidates among the Fermi-LAT unidentified sources of the 2FGL catalog. A first development is based on a multivariate approach using discriminant parameters built with the 2FGL catalog parameters. A second development is done with the use of the WISE satellite catalog and a non-parametric technic in order to find the blazar-like infrared counterparts of the unidentified sources of the 2FGL catalog., Ce manuscrit traite d'astronomie gamma de haute énergie (entre ~30 MeV et ~300 GeV) par l'intermédiaire du satellite Fermi-LAT et d'astronomie gamma de très haute énergie (au-delà de ~100 GeV) via l'expérience H.E.S.S. La seconde phase de l'expérience H.E.S.S. a débuté en juillet 2012 avec l'ajout d'un cinquième télescope de 28 mètres de diamètre au réseau initialement constitué de quatre télescopes de 12 mètres de diamètre d'imagerie atmosphérique Tcherenkov. Dans la première partie de cette thèse, nous présentons le développement d'une analyse en mode hybride basée sur une méthode multivariée dédiée à la détection et à l'étude de sources ayant des caractéristiques spectrales différentes ainsi que les premiers résultats des analyses de données réelles. La seconde partie est dédiée à la recherche des candidats blazars parmi les sources non identifiées du Fermi-LAT du catalogue 2FGL. Un premier travail est consacré à l'identification des candidats blazars à l'aide de méthodes multivariées utilisant des variables discriminantes construites à partir des paramètres du catalogue 2FGL. Dans un second temps, à l'aide du catalogue de sources infrarouges obtenues par le satellite WISE et d'une méthode non-paramétrique nous recherchons les contreparties de type blazars des sources non-identifiées.

Some of the most interesting objects in the Universe are Active Galactic Nuclei. In the centre of an active galaxy is a supermassive black hole that accretes matter from the surrounding galaxy. In the process, not yet fully understood, some of the matter is ejected in two jets, perpendicular to the plane of the galaxy. The energy of the particles in the jets are extremely high, sometimes over 1019 eV. The features of an active galaxy can be very different depending on from which angle it is viewed. This means that some astronomical objects that earlier seemed to be very heterogeneous might be only different manifestations of the same type of object, namely active galactic nuclei. This thesis introduces some of these different objects. The unifying theory is described. Ways of detecting the high-energy radiation and two important instruments, H.E.S.S. and Fermi-LAT are described. Three studies of the BL Lac PKS 2155-304, an active galactic nucleus that points its jet almost straight at Earth, are made using Fermi-LAT data. The conclusion of the studies is that the source is variable at least in the time scale of days and that in order to gather further information about these objects simultaneous multi-wavelength surveys have to be done.

The development of multi-wavelength observations of active galactic nuclei nowadays allows to reach a quasi-full coverage of their emission from radio to the highest reachable energies, in the TeV domain, by the Cherenkov telescopes. Consequently, the emission models of these sources are increasingly constraints, in particular for blazars where standard one zone synchrotron self-Compton (SSC) emission scenarios are regularly disproved by this new information flow. The main subject of this thesis is the in-depth study of blazars called « intermediates » between the two spectral categories identified long-time ago which are BL Lacs and FSRQs (for flat spectrum radio quasars).In a first stage we lead a complete study of the intermediate blazar Ap Librae for which we show that the extended jet basis play a very significant role in the overall source radiation. For this study we present the development of a SSC multi-zones code dealing in a consistent way the radiative interactions between the different components. Thereafter we are focusing on the radio features of the jet, observed by very long baseline interferometry (VLBI), being able to be used to constrain effectively the physical and geometrical parameters of the model. This study allows to deduce a strong link between the observed jet radio knots and the compact zone which emits in gamma-rays.In a second stage we characterize a blazar population by the radio spectra study, which like Ap Librae shows a relatively strong jet compared to the emission of the compact SSC zone. We propose a new blazar classification based on kinematic properties of VLBI jets in a sample of 167 sources selected in the MOJAVE database. A good correlation between VLBI kinematic properties and spectral classes is found and highlight the presence of an intermediate class. Hence we check the consistence of peculiar properties of this class in the general blazar unification scheme.This thesis being also within the H.E.S.S. collaboration, we present the analysis results of recently detected or very promising sources at very high energies. We expose also the last developments of a method which could improve the astrometric accuracy of the H.E.S.S. array by a star tracking on the cameras., Le développement des observations multi-longueurs d'onde des noyaux actifs de galaxies permetaujourd'hui d'atteindre une couverture quasi complète de leur rayonnement depuis la radio jusqu'auxplus hautes énergies accessibles, du domaine du TeV, par les télescopes Tcherenkov.Les modèles d'émissions de ces sources se trouvent de plus en plus contraints, en particulier pourles blazars où les scénarios standards de type Synchrotron Self Compton (SSC) à une zone sontrégulièrement mis en défaut par ce nouveau flot d'informations.Le sujet principal de cette thèse est l'étude approfondie des blazars dits « intermédiaires » entre lesdeux catégories spectrales depuis longtemps identifiées que sont les BL Lacs et les FSRQs (pourflat spectrum radio quasars).En première approche nous menons une étude complète du blazar intermédiaire Ap Librae pourlequel nous montrons que la base du jet étendu joue un rôle très significatif dans le rayonnementglobal de la source. Pour cette étude nous présentons le développement d'un code SSC multi-zonestraitant de manière cohérente les interactions radiatives entre les différentes composantes.Nous nous concentrons ensuite sur les caractéristiques radio observées par « very large baselineinterferometry » (VLBI) du jet pouvant être utilisées pour contraindre efficacement les paramètresphysiques et géométriques du modèle, et déduisons un lien fort entre les nodules radios observésdans le jet et la zone compacte émettant en gamma.En seconde approche nous caractérisons une population de blazars par l'étude des spectres radios,qui à l'instar d'Ap Librae présentent un jet relativement puissant devant l'émission d'une zonecompacte SSC. Nous proposons une classification nouvelle des blazars basée sur les propriétéscinématiques des jets VLBI dans un échantillon de 167 sources sélectionnées dans la base dedonnées de la collaboration MOJAVE. La présence d'une corrélation entre la cinématiqueradio et la classe spectrale met en avant la nature de cette classe intermédiaire, dont nous vérifionspar la suite la cohérence dans un scénario d'unification des blazars.Cette thèse étant également au sein de la collaboration du réseau de télescopes TcherenkovH.E.S.S., nous présentons les résultats d'analyse de sources nouvellement détectées ou trèsprometteuses aux très hautes énergies. Nous exposons aussi les développements récents d'uneméthode d'amélioration de la précision astrométrique du réseau par le suivi d'étoiles sur les caméras.

The discovery of Cosmic Rays (CRs) dates back more than one century ago, however their origin remains unclear. There is rather convincing evidence that the bulk of Galactic CRs, up to ~3 PeV, and possibly beyond, is accelerated in supernova remnants (SNRs). However this paradigm still needs a conclusive proof. While the SNR expands, charged particles from the circumstellar/interstellar medium are accelerated at the SNR shock wave and radiate from radio to very high energies (≻100 GeV). Particles acceleration and broad band radiation mechanism were studied and modelled during this PhD. γ-ray astronomy instruments enable to detect radiation from particles accelerated at the SNR shock wave. In particular the pair creation telescope Fermi-LAT and the array of imaging atmospheric Cherenkov telescopes H.E.S.S., enable together to detect Gamma-ray photons in the ~30 MeV-30 TeV energy range. As a member of the H.E.S.S. collaboration, I analysed and interpreted observational data from several Galactic SNRs. These studies led to the discovery of one of the faintest sources ever detected whose Gamma-ray emission is associated with the interaction of the SNR G349.7+02 with an adjacent molecular cloud. Upper limits on the integrated flux of many SNRs were extracted in order to constrain models of particle acceleration. In particular, the SNR Puppis A shows an unexpected spectral behavior difficult to explain with current models. A fifth bigger telescope was added mid 2012 to the H.E.S.S. array of four small telescopes to lower the energy threshold and to improve the sensitivity of the array. In this context I actively participated to the development, integration end data analysis of the calibration hardware of the camera of this fifth telescope.; La découverte du rayonnement cosmique remonte à plus d'un siècle, mais son origine est encore incertaine aujourd'hui. Divers éléments théoriques et observationnels tendent à confirmer que les vestiges de supernova (SNRs) sont à l'origine de la majeure partie du rayonnement cosmique galactique jusqu'à des énergies de ~3 PeV, voire au-delà. Mais ce paradigme requiert encore une preuve irréfutable.Lors de l'expansion d'un SNR, les particules chargées du milieu circumstellaire/interstellaire sont accélérées par l'onde de choc et peuvent alors rayonner depuis le domaine radio jusqu'aux très hautes énergies (≻100 GeV). Les mécanismes d'accélération et les processus d'émission des particules ont été étudiés et modélisés au cours de cette thèse.Les instruments d'astronomie Gamma permettent de détecter les rayonnements émis par les particules accélérées au choc des SNRs. En particulier, le télescope à création de paires Fermi-LAT et le réseau de télescopes au sol à imagerie Tcherenkov atmosphérique H.E.S.S. détectent, à eux deux, des photons Gamma d'énergie comprise entre ~30 MeV et plusieurs dizaines de TeV. Au cours de cette thèse, réalisée dans le cadre de l'expérience H.E.S.S., les données observationnelles de plusieurs SNRs ont été analysées et interprétées. Les études menées ont conduit à la détection d'une des sources les plus faibles encore jamais détectée et dont l'émission Gamma est associée à l'interaction du SNR G349.7+0.2 avec un nuage moléculaire adjacent. Des limites supérieures sur les flux intégrés de nombreux SNRs ont été extraites afin de contraindre les modèles d'accélération de particules. Le SNR Puppis A présente notamment un comportement spectral inattendu, difficile à expliquer dans le cadre des modèles d'accélération de particules actuels.Un cinquième télescope, de plus grande taille, a été ajouté mi-2012 au réseau de quatre petits télescopes H.E.S.S. afin d'abaisser le seuil en énergie et d'améliorer la sensibilité du réseau. Dans ce cadre, j'ai activement participé au développement, à l'intégration et à l'analyse des données du dispositif d'étalonnage de la caméra de ce cinquième télescope.

Axionlike particles (ALPs) are hypothetical light (sub-eV) bosons predicted in some extensions of the Standard Model of particle physics. In astrophysical environments comprising high-energy gamma rays and turbulent magnetic fields, the existence of ALPs can modify the energy spectrum of the gamma rays for a sufficiently large coupling between ALPs and photons. This modification would take the form of an irregular behavior of the energy spectrum in a limited energy range. Data from the H.E.S.S. observations of the distant BL Lac object PKS 2155-304 (z = 0.116) are used to derive upper limits at the 95% C.L. on the strength of the ALP coupling to photons, $g_{\gamma a} < 2.1\times 10^{-11}$ GeV$^{-1}$ for an ALP mass between 15 neV and 60 neV. The results depend on assumptions on the magnetic field around the source, which are chosen conservatively. The derived constraints apply to both light pseudoscalar and scalar bosons that couple to the electromagnetic field., Comment: 13 pages, 7 figures, to appear in Phys.Rev.D

Abbildende Cherenkov-Teleskope haben in den letzten Jahren eine groẞe Anzahl neuer Gammastrahlungsquellen im Bereich sehr hoher Energien (VHE, very high energy, E>100 GeV) entdeckt. Diese Studie behandelt Vertreter von drei unterschiedlichen Klassen von galaktischen Gammastrahlungsquellen: die Supernova-Überreste G1.9+0.3 und G330.2+1.0, den Pulsarwind-Nebel HESS J1303-631 und das Binärsystem PSR B1259-63/LS 2883. Für alle Objekte werden die Analyse der H.E.S.S.-Daten und die Modellierung der Emission unter Einbeziehung von Daten aus anderen Wellenlängenbereichen dargestellt. Recently, imaging atmospheric Cherenkov telescopes have discovered numerous new sources representing various source classes in the very high energy (VHE; E>100 GeV) sky. This work presents studies of representatives of three types of Galactic VHE emitters: the Supernova remnants G1.9+0.3 and G330.2+1.0, the pulsar wind nebula HESS J1303-631 and the binary system PSR B1259-63/LS 2883. The analysis of the H.E.S.S. data and the broadband emission modeling are presented.

H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) is an array of very-high energy gamma-ray telescopes located in Namibia. These telescopes take advantage of the atmospheric Cherenkov technique using stereoscopy, allowing to detect gamma-rays between 100 GeV and a few tens of TeV. The location of the H.E.S.S. telescopes in the Southern hemisphere allows to observe the central parts of our galaxy, the Milky Way. Tens of new gamma-ray sources were thereby discovered thanks to the galactic plane survey strategy. After ten years of fruitful observations with many detections, it is now necessary to improve the detector performance in order to detect new sources by increasing the sensitivity and improving the angular resolution. The aim of this thesis consists in the development of advanced analysis techniques allowing to make sharper analysis. An automatic tool to look for new sources and to improve the subtraction of the background noise is presented. It is optimized for the study of weak sources that needs a very rigorous analysis. A combined reconstruction method is built in order to improve the angular resolution without reducing the statistics, which is critical for weak sources. These advanced methods are applied to the analysis of a complex region of the galactic plane near the supernova remnant G22.7-0.2, leading to the detection of a new source, HESS J1832-092. Multi-wavelength counterparts are shown and several scenarii are considered to explain the origin of the gamma-ray signal of this astrophysical object., L'expérience H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System), située en Namibie, est un réseau de télescopes basé sur la technique d'imagerie Tcherenkov atmosphérique en stéréoscopie et dédié à l'astronomie gamma entre 100 GeV et quelques dizaines de TeV. H.E.S.S. dispose d'une situation géographique idéale pour observer notre galaxie, la Voie Lactée, et a ainsi pu découvrir des dizaines de nouvelles sources gamma grâce à sa stratégie de relevé systématique du plan galactique. Après environ dix ans d'observations fructueuses, les limites de l'instrument doivent désormais être repoussées pour pouvoir détecter de nouvelles sources plus faibles. Le développement d'algorithmes avancés permettant d'améliorer la sensibilité et la résolution angulaire de l'instrument est au coeur de cette thèse. Un outil de recherche automatique de nouvelles sources ainsi qu'une amélioration de la soustraction du bruit de fond sont présentés dans le cadre de l'étude des sources très faibles, nécessitant une analyse particulièrement rigoureuse. Une méthode combinant différentes techniques de reconstruction des événements est développée et permet d'améliorer la résolution angulaire sans diminuer la statistique, cruciale pour l'étude des sources faibles. Ces techniques avancées sont appliquées à l'analyse d'une région complexe du plan galactique, autour du vestige de supernova G22.7-0.2, qui a conduit à la détection d'une nouvelle source, HESS J1832-092. Les contreparties multi-longueurs d'onde à cette source sont présentées et différents scénarios sont envisagés pour expliquer l'origine de l'émission gamma de cet objet astrophysique.

H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) is an array of four very-high energy (VHE) gamma-ray telescopes located in Namibia. These telescopes use the atmospheric Cherenkov imaging technique to detect gamma-rays between 100 GeV and a few tens of TeV. The H.E.S.S. cameras, each composed of 960 photomultiplier tubes and a fast electronics, need an accurate calibration of the shower to electronic signal conversion. A parasit capacitive coupling between the photomultiplier tubes and the data acquisition system (the common modes) was revealed and corrected during this thesis, resulting in data of better quality. H.E.S.S. is ideally located to observe the inner regions of the Galactic plane. Hence, the Galactic Plane Survey has been one of the primary goal since the beginning of the array operation in 2004 and led to unveiling the diversity of the VHE gamma-ray sources. This thesis presents the search for VHE gamma-ray sources in the inner regions of the Galactic plane using the most sensitive semi-analytical model based analysis currrently available. A search for transient sources was also performed for these regions using powerfull methods based on the time difference between consecutive events. Theses methods have been precisely characterized by simulation and didn't lead to the detection of significant variable sources. The very-high energy gamma-ray emission from the W49 region and the supernova remnant W49B in particular has been revealed during this thesis. The analysis of this region and the implications of this discovery are described in detail in this manuscript., L'expérience H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) est un réseau de quatre télescopes dédié à l'astronomie gamma de très haute énergie et situé en Namibie. Ces télescopes utilisent la technique de l'imagerie Cherenkov atmosphérique en mode stéréoscopique pour détecter des rayons gamma entre 100 GeV et quelques dizaines de TeV. Les caméras de H.E.S.S., dotées de 960 photomultiplicateurs et d'une électronique rapide, nécessitent un étalonnage précis de la réponse de l'instrument au signal généré par les gerbes. Un couplage capacitif parasite entre les photomultiplicateurs et le système d'acquisition a été révélé et corrigé au cours de cette thèse, résultant en un étalonnage de meilleure qualité. H.E.S.S. bénéficie d'une situation géographique optimale pour l'observation des régions centrales de la Galaxie. Le relevé du plan Galactique a ainsi été un des objectifs principaux de H.E.S.S. dès le début des prises de données en 2004. Cette thèse présente la recherche de sources dans les régions centrales de la Galaxie en utilisant les méthodes d'analyse par modèle semi-analytique les plus sensibles disponibles actuellement. Une recherche de sources transitoires a également été effectuée. Les méthodes utilisées, caractérisées en détail au moyen de simulations, s'appuient sur les intervalles temporels entre les événements et n'ont pas révélées de sources significativement variables. La détection d'émission gamma de très haute énergie en direction de la région W49 et du vestige de supernova W49B en particulier a été mise en évidence durant cette thèse. L'étude de cette région et les implications de ce résultats sont présentées en détails dans ce manuscrit.

H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) is an array of four very-high energy (VHE) gamma-ray telescopes located in Namibia. These telescopes use the atmospheric Cherenkov imaging technique to detect gamma-rays between 100 GeV and a few tens of TeV. The H.E.S.S. cameras, each composed of 960 photomultiplier tubes and a fast electronics, need an accurate calibration of the shower to electronic signal conversion. A parasit capacitive coupling between the photomultiplier tubes and the data acquisition system (the common modes) was revealed and corrected during this thesis, resulting in data of better quality. H.E.S.S. is ideally located to observe the inner regions of the Galactic plane. Hence, the Galactic Plane Survey has been one of the primary goal since the beginning of the array operation in 2004 and led to unveiling the diversity of the VHE gamma-ray sources. This thesis presents the search for VHE gamma-ray sources in the inner regions of the Galactic plane using the most sensitive semi-analytical model based analysis currrently available. A search for transient sources was also performed for these regions using powerfull methods based on the time difference between consecutive events. Theses methods have been precisely characterized by simulation and didn't lead to the detection of significant variable sources. The very-high energy gamma-ray emission from the W49 region and the supernova remnant W49B in particular has been revealed during this thesis. The analysis of this region and the implications of this discovery are described in detail in this manuscript.; L'expérience H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) est un réseau de quatre télescopes dédié à l'astronomie gamma de très haute énergie et situé en Namibie. Ces télescopes utilisent la technique de l'imagerie Cherenkov atmosphérique en mode stéréoscopique pour détecter des rayons gamma entre 100 GeV et quelques dizaines de TeV. Les caméras de H.E.S.S., dotées de 960 photomultiplicateurs et d'une électronique rapide, nécessitent un étalonnage précis de la réponse de l'instrument au signal généré par les gerbes. Un couplage capacitif parasite entre les photomultiplicateurs et le système d'acquisition a été révélé et corrigé au cours de cette thèse, résultant en un étalonnage de meilleure qualité. H.E.S.S. bénéficie d'une situation géographique optimale pour l'observation des régions centrales de la Galaxie. Le relevé du plan Galactique a ainsi été un des objectifs principaux de H.E.S.S. dès le début des prises de données en 2004. Cette thèse présente la recherche de sources dans les régions centrales de la Galaxie en utilisant les méthodes d'analyse par modèle semi-analytique les plus sensibles disponibles actuellement. Une recherche de sources transitoires a également été effectuée. Les méthodes utilisées, caractérisées en détail au moyen de simulations, s'appuient sur les intervalles temporels entre les événements et n'ont pas révélées de sources significativement variables. La détection d'émission gamma de très haute énergie en direction de la région W49 et du vestige de supernova W49B en particulier a été mise en évidence durant cette thèse. L'étude de cette région et les implications de ce résultats sont présentées en détails dans ce manuscrit.

Diese Arbeit beschreibt die Identifikation der bisher unidentifizierten TeV Gammastrahlungsquelle, HESS J1303-631 als Pulsarwind-Nebel, angetrieben von dem Pulsar PSR J1301-6305. Dieses Ergebnis wird durch den Nachweis von energieabhängiger Morphologie in den vom High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) genommenen Daten und durch die Detektion eines neuen Röntgen-Pulsarwind-Nebels in XMM-Newton Daten erreicht. Zudem wird eine obere Schranke auf den Fluss von Radiostrahlung aus Beobachtungen mit dem Parkes Radioteleskop bei 4.48 GHz abgeleitet. Diese Ergebnisse können in einem leptonischen Modell des Pulsarwind-Nebels verstanden werden, wo Elektronen und Positronen in der Nähe des Termination Shocks des Pulsarwindes auf ultrarelativistische Energien beschleunigt werden. Diese Leptonen bilden einen ausgedehnten Pulsarwind-Nebel, der auf Grund des inversen Compton-Effekts und Synchrotronstrahlung TeV Gammastrahlung beziehungsweise Röntgen- und Radiostrahlung erzeugt. Da nur eine obere Grenze auf den Radiofluss abgeleitet wurde, erfolgte die Modellierung im Rahmen eines einfachen ``one zone models'''', wo angenommen wird, dass die Radio-, Röntgen- und Gammastrahlung alle von derselben Leptonenpopulation erzeugt werden. Das Modell wird aber trotzdem von den Daten schon eingeschränkt und liefert ein schwaches Magnetfeld von ungef 0.9 Microgauss. Diese Magnetfeldstärke ist überraschend niedrig, da in ähnlichen Systemen die Magnetfeldstärken eher bei 10 Microgauss liegen. Andererseits passt das Ergebnis gut zu dem sehr niedrigen Synchrotronstrahlungsfluss. Ein derart schwaches Magnetfeld wird im theoretischen Szenario eines ausgedehnten, beziehungsweise entwickelten Pulsarwind-Nebels erklärt. This work represents the identification of the very high energy, E > 100 GeV (VHE), Gamma-ray source HESS J1303-631 as a pulsar wind nebula (PWN) powered by the pulsar PSR J1301-6305. This is achieved through the detection of energy dependent morphology in the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) data, the detection of a new X-ray PWN in archival XMM-Newton X-ray observations, as well as multi-wavelength modeling of the source and its energetics. An upper limit on the radio synchrotron flux is obtained from observations made by the Parkes telescope at 4.48 GHz. The combined Gamma-ray, X-ray and radio measurements are used to constrain a leptonic emission model, where strong winds of relativistic electrons and positrons from the pulsar power the acceleration of particles to ultrarelativistic energies at the wind termination shock region, and these shock accelerated leptons then form a nebula which emits in the X-ray and radio bands via synchrotron emission in the ambient magnetic field and Gamma-rays through the inverse Compton mechanism. One surprising result of this analysis is the anomalously low magnetic field derived for the PWN. Typical values for PWNe are on the order of 10 microgauss. For this source, however, the low synchrotron levels predict an average magnetic field of approximately 0.9 microgauss. The low magnetic field is explained in the scenario of an expanded/evolved PWN.

Several models of Quantum Gravity predict Lorentz Symmetry breaking at energy scales approaching the Planck scale (∼1019 GeV). With present photon data from the observations of distant astrophysical sources, it is possible to constrain the Lorentz Symmetry breaking linear term in the standard photon dispersion relations. Gamma Ray Bursts (GRB) and flaring Active Galactic Nuclei (AGN) are complementary to each other for this purpose, since they are observed at different distances in different energy ranges and with different levels of variability. Following a previous publication of the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) collaboration [1], a more sensitive event-by-event method consisting of a likelihood fit is applied to PKS 2155-304 flare data of MJD 53944 (July 28, 2006) as used in the previous publication. The previous limit on the linear term is improved by a factor of ∼3 up to GeV and is currently the best result obtained with blazars. The sensitivity to the quadratic term is lower and provides a limit of 6.4 × 1010 GeV, which is the best value obtained so far with an AGN and similar to the best limits obtained with GRB. http://dx.doi.org/10.1016/j.astropartphys.2011.01.007 http://ac.els-cdn.com/S0927650511000090/1-s2.0-S0927650511000090-main.pdf?_tid=ce6d887c-f743-11e1-b07e-00000aab0f26&acdnat=1346840820_2b2d2e38cd225c9e1b79ea326748ca8b

Several models of Quantum Gravity predict Lorentz Symmetry breaking at energy scales approaching the Planck scale (10^{19} GeV). With present photon data from the observations of distant astrophysical sources, it is possible to constrain the Lorentz Symmetry breaking linear term in the standard photon dispersion relations. Gamma-ray Bursts (GRB) and flaring Active Galactic Nuclei (AGN) are complementary to each other for this purpose, since they are observed at different distances in different energy ranges and with different levels of variability. Following a previous publication of the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) collaboration, a more sensitive event-by-event method consisting of a likelihood fit is applied to PKS 2155-304 flare data of MJD 53944 (July 28, 2006) as used in the previous publication. The previous limit on the linear term is improved by a factor of ~3 up to M^{l}_{QG} > 2.1x10^{18} GeV and is currently the best result obtained with blazars. The sensitivity to the quadratic term is lower and provides a limit of M^{q}_{QG} > 6.4x10^10 GeV, which is the best value obtained so far with an AGN and similar to the best limits obtained with GRB., 24 pages, 9 figures. Accepted for publication in Astropart. Phys. Rev1 is the final accepted version (typo corrections)

This thesis is dedicated to the study of Very High Energy gamma-ray sources discovered thanks to the H.E.S.S. telescopes . The H.E.S.S. observatory has indeed revealed, through a systematic survey of the galactic plane since 6 years, a very rich gamma-ray sky. First, we verified that the evolution of the telescope performance since the start of operations was well understood. The study of TeV characteristics, but also at other wavelengths, including X-rays, of pulsar wind nebulae is the central part of the work presented here. For sources whose nature remained unknown or subject to question, we searched for counterparts among the known pulsars, or made a spectral and morphological analysis, which helped to identify many as nebulae, except one for which we have shown that this scenario is rather uncomfortable through profound observations in X-rays. This source could thus constitute a new class of gamma-ray sources. Pulsar wind nebulae, are nevertheless, and this work will have contributed to this, by far the majority of the TeV sources in the Galaxy. We study them as such, by forming a catalogue, and then show that the sensitivity limitation of the TeV horizon forbids to consider it as complete. Finally, the search for relationships between the various observables at TeV gamma-rays and X-rays of the nebulae, and parameters of the pulsar, while providing a predictive tool, confirms the relic nature of many sources because of non-dependence of the gamma-ray luminosity on age or on the pulsar power., Cette thèse est dédiée à l’étude des sources gamma de très haute énergie découvertes grâce aux télescopes H.E.S.S. dans le domaine du TeV. L’observatoire H.E.S.S. a en effet révélé, suite à un relevé du plan de la Galaxie depuis 6 ans, un ciel gamma très riche. D’abord, nous avons vérifié que l’évolution des performances des télescopes depuis sa mise en exploitation était bien comprise et maîtrisée. L’étude des caractéristiques au TeV, mais aussi à d’autres longueurs d’onde, notamment en rayons X, des sources de type nébuleuse de pulsar constitue la partie centrale des travaux présentés ici. Pour les sources dont la nature restait encore inconnue ou sujette à questions, nous avons cherché des contreparties parmi les pulsars connus, ou alors mené une analyse spectrale et morphologique, ce qui a permis d’en identifier bon nombre en tant que nébuleuses, sauf une, pour laquelle ce scénario est mis en difficulté grâce aux observations profondes en X ; elle pourrait ainsi constituer une nouvelle classe de sources gamma. Les nébuleuses de pulsar, constituent néanmoins, et ces travaux y auront contribué, de loin la population majoritaire des sources au TeV dans la Galaxie. Nous les examinons en tant que telle, en formant un catalogue, et montrons que la limitation par la sensibilité de l’horizon des observations au TeV interdit de considérer celui-ci comme complet. Enfin, la recherche de relations entre les divers observables au TeV, et en X, des nébuleuses et les paramètres du pulsar, tout en procurant d’un outil de prédiction, confirme l’aspect relique d’une bonne partie des sources du fait de la non-dépendance de la luminosité gamma à l’âge ou à la puissance du pulsar.

Very high energy gamma-ray astronomy (E > 30 GeV), that allows to probe non-thermal processes in the universe, is a rather young field of research. Up to now, most of the objects that have been observed are point-like or have small spatial extensions. However, the interaction of cosmic rays with the interstellar medium is expected to give rise to a diffuse emission at these energies. A preliminary study of the detectability of this diffuse component by the H.E.S.S. telescope array is presented. The latter has been operating since 2004 and detects the Cherenkov light from atmospheric showers that are generated by very high enery photons. The standard On-Off background subtraction method is investigated along with the influence of the sky background noise on the recorded event rate. A second theme covered by this thesis is that of the detectability of dark matter by the H.E.S.S. experiment. This is performed using CLUMPY, a semi-analytical code developed during this thesis. The CLUMPY code calculates the gamma-ray flux from dark matter annihilation from user-defined galactic structure and sub-structure distributions. The H.E.S.S. ~15 hour long observation of the Carina dwarf spheroidal galaxy has furthermore set an upper limit at 1e-22 cm3/s for the dark matter annihilation cross section.; L'astronomie gamma de très haute énergie (E > 30 GeV) révèle la présence de processus non thermiques dans l'Univers, et est devenue une discipline à part entière depuis quelques années. La majorité des objets observés jusqu'à présent sont ponctuels ou peu étendus spatialement. Des émissions diffuses sont néanmoins attendues, issues de l'interaction des rayons cosmiques se propageant dans la Galaxie avec le milieu interstellaire. Une étude préliminaire du potentiel de détection de ces émissions est entreprise pour le réseau de télescopes H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System). Cet instrument, fonctionnant depuis 2004, détecte la lumière Cherenkov émise par les gerbes de particules atmosphériques générées par les photons de très haute énergie. La méthode classique de soustraction de fond On-Off est étudiée. L'influence du bruit de fond de ciel sur le taux d'événements enregistrés est également analysée. La deuxième thématique de cette thèse concerne le potentiel de détection de la matière noire avec l'expérience H.E.S.S. Un code (baptisé CLUMPY) basé sur une approche semi-analytique est présenté. Il permet de calculer le flux de rayons gamma en provenance de l'annihilation de particules de matière noire, pour les structures et sous-structures de la Galaxie, les distributions étant spécifiées par l'utilisateur. Finalement, l'observation par H.E.S.S. de la galaxie naine sphéroïde Carina pendant ~15h a permis de placer une limite supérieure sur la section efficace d'annihilation du neutralino à ~1e-22 cm3/s.

Very high energy gamma-ray astronomy (E > 30 GeV), that allows to probe non-thermal processes in the universe, is a rather young field of research. Up to now, most of the objects that have been observed are point-like or have small spatial extensions. However, the interaction of cosmic rays with the interstellar medium is expected to give rise to a diffuse emission at these energies. A preliminary study of the detectability of this diffuse component by the H.E.S.S. telescope array is presented. The latter has been operating since 2004 and detects the Cherenkov light from atmospheric showers that are generated by very high enery photons. The standard On-Off background subtraction method is investigated along with the influence of the sky background noise on the recorded event rate. A second theme covered by this thesis is that of the detectability of dark matter by the H.E.S.S. experiment. This is performed using CLUMPY, a semi-analytical code developed during this thesis. The CLUMPY code calculates the gamma-ray flux from dark matter annihilation from user-defined galactic structure and sub-structure distributions. The H.E.S.S. ~15 hour long observation of the Carina dwarf spheroidal galaxy has furthermore set an upper limit at 1e-22 cm3/s for the dark matter annihilation cross section.; L'astronomie gamma de très haute énergie (E > 30 GeV) révèle la présence de processus non thermiques dans l'Univers, et est devenue une discipline à part entière depuis quelques années. La majorité des objets observés jusqu'à présent sont ponctuels ou peu étendus spatialement. Des émissions diffuses sont néanmoins attendues, issues de l'interaction des rayons cosmiques se propageant dans la Galaxie avec le milieu interstellaire. Une étude préliminaire du potentiel de détection de ces émissions est entreprise pour le réseau de télescopes H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System). Cet instrument, fonctionnant depuis 2004, détecte la lumière Cherenkov émise par les gerbes de particules atmosphériques générées par les photons de très haute énergie. La méthode classique de soustraction de fond On-Off est étudiée. L'influence du bruit de fond de ciel sur le taux d'événements enregistrés est également analysée. La deuxième thématique de cette thèse concerne le potentiel de détection de la matière noire avec l'expérience H.E.S.S. Un code (baptisé CLUMPY) basé sur une approche semi-analytique est présenté. Il permet de calculer le flux de rayons gamma en provenance de l'annihilation de particules de matière noire, pour les structures et sous-structures de la Galaxie, les distributions étant spécifiées par l'utilisateur. Finalement, l'observation par H.E.S.S. de la galaxie naine sphéroïde Carina pendant ~15h a permis de placer une limite supérieure sur la section efficace d'annihilation du neutralino à ~1e-22 cm3/s.

The H.E.S.S. telescope (High Energy Stereoscopic System) is an experiment of four imaging Cherenkov Telescope looking on gamma rays from 100GeV to 100TeV. In 2012, the experiment will be upgrades in a second phase with a fifth telescope of 28 m of diameter in the center of the existing system. At the threshold of 15 GeV, electromagnetic shower will be detected only by this big telescope so a new data analysis is needed. A new method based on a multidimensional analysis has been developed. Therefore, the energy of electromagnetic shower is well reconstructed with a good discrimination down to 30 GeV. At low energy, the sensitivity will be at few percent of the Crab in 50 hours. This new method has been tested on H.E.S.S. data and is very competitive with respect to the other energy reconstruction methods; an extension for stereoscopic events is also shown. The calibration processes and the results of tests of photomultipliers are described. A propagation model of cosmic rays has been developed to study diffuse gamma ray emission. Protons and helium nuclei have been propagated in the galaxy to estimate the emission of neutral pion decays after an interaction with the interstellar medium. The map production is described form the beginning to the end. I have estimated the sensitivity of H.E.S.S. to the prediction of the model. The Sagittarius dwarf galaxy is study as a dark matter dominated object. I used the most efficient analysis of the H.E.S.S collaboration and decomposed the data as a function of the zenith angle to decrease the energy threshold.; Le système de télescopes H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) est une expérience constituée de quatre imageurs Cherenkov atmosphériques destinés à observer les rayons gamma de plus de 100 GeV et jusqu'à quelques dizaines de TeV. En 2012, une seconde phase de l'expérience consistera en l'ajout d'un cinquième télescope de 28 mètres de diamètre au centre du système existant. Au seuil de déclenchement de 15 GeV, les événements ne seront visibles que par ce grand télescope, une nouvelle méthode de reconstruction est proposée. A l'aide de plusieurs réseaux de neurones, l'énergie de gerbes électromagnétiques est bien reconstruite avec une discrimination du fond hadronique efficace à partir de 30 GeV. A basse énergie, la sensibilité totale permettra de détecter une source de quelques pourcent du Crabe en 50 heures. Cette méthode est testée sur les données de H.E.S.S. et s'avère compétitive ; une extension est présentée pour les événements stéréoscopiques. Les tests mis en place pour l'étalonnage des photomultiplicateurs sont présentés ainsi que les résultats obtenus. Un modèle de propagation de rayons cosmiques a été développé pour étudier l'émission du fond diffus gamma. Pour cela, il a fallu propager les protons et les noyaux hélium dans la galaxie et estimer le taux de pions neutres issus des interactions avec le milieu. La méthode de génération des cartes est décrite jusqu'à leur établissement. Dans le cas de H.E.S.S., j'ai estimé les sensibilités pour les comparer aux flux prédits par la modélisation. La galaxie naine sphéroïdale du Sagittaire a été étudiée comme source présumée de matière noire. Pour cela, les données ont été réparties en angles zénithaux similaires pour étudier l'effet du seuil de l'analyse dans les observations en utilisant les analyses les plus performantes de la collaboration H.E.S.S. Les sensibilités de détection ont été améliorées. Aucun excès d'événements notable n'a été observé.

H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) is one of the leading systems of four Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes that investigates very high energy (VHE) cosmic gamma-rays in the 100 GeV to 100 TeV energy range. H.E.S.S. is located in Namibia, near the Gamsberg mountain and operational since December 2003. The H.E.S.S. experiment is mainly aimed to the observation of the southern sky including the galactic plan and the numerous astrophysics sources therein. Three analysis methods have been developed using various properties of the electromagnetic showers generated by the interaction of primary cosmic gamma-rays within the Earth atmosphere. The first goal of this thesis was to combine the information from these methods for the selection and the energy and direction reconstruction of gamma-ray events. The new analysis called Xeff improves significantly the quality of the selection and the precision of the reconstruction. This analysis has been afterwards applied to the study of pulsar wind nebulae like Vela X, G0.9+0.1 and MSH 15-52. New results were found concerning the source extension (Vela X) or spectral analysis (G0.9+0.1 and MSH 15-52) at TeV energies, thanks to additional data and to the improved efficiency of the new method. In 2010, a new phase will begin with the achievement of a fifth telescope dedicated to gamma-ray observation from tens GeV. The calibration processes of the photomultipliers equipping the camera of the new telescope, as well as the results of the tests, are also described in this thesis.; L'expérience H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic system) a pour objectif l'observation du ciel austral en rayons gamma de très haute énergie. L'observatoire, constitué de quatre télescopes fonctionnant en stéréoscopie et situé en Namibie, est un des plus performants au monde. Enregistrant des données depuis 2003, c'est l'instrument idéal pour l'observation du plan galactique et la détection des nombreuses sources qui s'y trouvent. Trois méthodes d'analyse ont été mises en place, s'appuyant sur différentes propriétés des gerbes électromagnétiques issues de l'interaction des gamma avec l'atmosphère. L'objectif premier de cette thèse était de combiner les informations issues de ces trois méthodes pour la sélection des événements et la reconstruction de la direction et de l'énergie des gamma. La nouvelle analyse, appelée Xeff, apporte un gain significatif sur la qualité de la sélection et sur la précision de reconstruction de l'énergie et de la direction. L'analyse Xeff a été utilisée pour l'étude de nébuleuses de pulsar telles que Vela X, G0.9+0.1 et MSH 15-52. De nouveaux résultats ont été mis en évidence concernant l'extension de la source (Vela X) ou la forme spectrale (G0.9+0.1 et MSH 15-52) grâce à de nouvelles observations et à l'efficacité de l'analyse mise en place. Dès 2010, l'expérience rentrera dans une nouvelle phase avec l'achèvement d'un cinquième télescope, dédié à l'observation des rayons gamma à partir de quelques dizaines de GeV. Les tests mis en place pour l'étalonnage des photomultiplicateurs et les résultats obtenus sont décrits dans le manuscrit.

Active Galactic Nuclei (AGN) are among the most energetic sources in the Universe. A subgroup of AGN possesses relativistic jets, the emission of which is purely non-thermal. In the case where the jet is aligned to the line of sight, these objects, called "blazars", have their emission amplified by the relativistic Doppler effect. Since the advent of very high energy (VHE; E>100 GeV) gamma-ray astrophysics, Cherenkov telescopes like H.E.S.S. have observed almost thirty AGN, mainly blazars, from the ground. Cherenkov radiation from particle showers created by the interaction of gamma-rays in the terrestrial atmosphere is used to derive the properties of the incident photon and thus to study these extragalactic sources. We have studied the highly variable VHE gamma-ray emission from the blazar PKS 2155-304, from which two major outbursts were detected in July 2006, within the framework of a dynamic synchrotron self-Compton (SSC) model. This variable emission presents properties excluding the most standard emission scenarios for blazars. We have also developed an SSC emission model for misaligned relativistic jets, to interpret the recent discovery of VHE gamma-ray emission from two radio galaxies, M 87 and Cen A, which established the emergence of a new familiy of cosmic TeV emitters. We conclude with a systematic study conducted on all the AGN currently known at TeV with a stationary SSC model. We present tools for predictions of flux densities in these objects, which can be confronted with future observations by the Cherenkov Telescope Array (CTA)., Les Noyaux Actifs de Galaxies (NAG) sont parmi les sources les plus énergétiques dans l'Univers. Certains possèdent un jet relativiste dont l'émission est purement non-thermique. Lorsque le jet est aligné avec notre ligne de visée, ces objets appelés "blazars" voient leur émission amplifiée par effet Doppler relativiste. Depuis l'avènement de l'astrophysique gamma aux très hautes énergies (THE; E>100 GeV), les télescopes Cherenkov comme H.E.S.S. ont observé près d'une trentaine de NAG, principalement des blazars, depuis le sol. Ils tirent parti du rayonnement Cherenkov issu des gerbes de particules secondaires engendrées par l'arrivée d'un photon gamma dans l'atmosphère terrestre, pour remonter aux propriétés du photon incident et ainsi étudier ces sources extragalactiques. Nous avons étudié l'émission gamma THE rapidement variable du blazar PKS 2155-304, dont deux éruptions majeures ont été détectées en Juillet 2006, grâce à un modèle synchrotron self-Compton (SSC) dynamique. Cette émission variable présente des propriétés extrêmes excluant certains scénarios d'émission standard des blazars. Nous avons aussi développé un modèle d'émission SSC de jets relativistes non alignés avec la ligne de visée, afin d'interpréter la découverte récente par H.E.S.S. de deux radio galaxies, M 87 et Cen A, qui prouve l'émergence d'une nouvelle famille d'émetteurs cosmiques au TeV. Nous concluons avec une étude systématique menée sur l'ensemble des NAG actuellement connus au TeV, à l'aide d'un modèle SSC stationnaire. Nous présentons des diagnostics de prédictions de densités de flux dans ces objets, pouvant être confrontés aux observations futures du Cherenkov Telescope Array (CTA).

H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) is one of the leading systems of four Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes that investigates very high energy (VHE) cosmic gamma-rays in the 100 GeV to 100 TeV energy range. H.E.S.S. is located in Namibia, near the Gamsberg mountain and operational since December 2003. The H.E.S.S. experiment is mainly aimed to the observation of the southern sky including the galactic plan and the numerous astrophysics sources therein. Three analysis methods have been developed using various properties of the electromagnetic showers generated by the interaction of primary cosmic gamma-rays within the Earth atmosphere. The first goal of this thesis was to combine the information from these methods for the selection and the energy and direction reconstruction of gamma-ray events. The new analysis called Xeff improves significantly the quality of the selection and the precision of the reconstruction. This analysis has been afterwards applied to the study of pulsar wind nebulae like Vela X, G0.9+0.1 and MSH 15-52. New results were found concerning the source extension (Vela X) or spectral analysis (G0.9+0.1 and MSH 15-52) at TeV energies, thanks to additional data and to the improved efficiency of the new method. In 2010, a new phase will begin with the achievement of a fifth telescope dedicated to gamma-ray observation from tens GeV. The calibration processes of the photomultipliers equipping the camera of the new telescope, as well as the results of the tests, are also described in this thesis., L'expérience H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic system) a pour objectif l'observation du ciel austral en rayons gamma de très haute énergie. L'observatoire, constitué de quatre télescopes fonctionnant en stéréoscopie et situé en Namibie, est un des plus performants au monde. Enregistrant des données depuis 2003, c'est l'instrument idéal pour l'observation du plan galactique et la détection des nombreuses sources qui s'y trouvent. Trois méthodes d'analyse ont été mises en place, s'appuyant sur différentes propriétés des gerbes électromagnétiques issues de l'interaction des gamma avec l'atmosphère. L'objectif premier de cette thèse était de combiner les informations issues de ces trois méthodes pour la sélection des événements et la reconstruction de la direction et de l'énergie des gamma. La nouvelle analyse, appelée Xeff, apporte un gain significatif sur la qualité de la sélection et sur la précision de reconstruction de l'énergie et de la direction. L'analyse Xeff a été utilisée pour l'étude de nébuleuses de pulsar telles que Vela X, G0.9+0.1 et MSH 15-52. De nouveaux résultats ont été mis en évidence concernant l'extension de la source (Vela X) ou la forme spectrale (G0.9+0.1 et MSH 15-52) grâce à de nouvelles observations et à l'efficacité de l'analyse mise en place. Dès 2010, l'expérience rentrera dans une nouvelle phase avec l'achèvement d'un cinquième télescope, dédié à l'observation des rayons gamma à partir de quelques dizaines de GeV. Les tests mis en place pour l'étalonnage des photomultiplicateurs et les résultats obtenus sont décrits dans le manuscrit.

The H.E.S.S. telescop (High energy Stereoscopic System), located in Namibia, is currently the most efficient for the observation of very high energy (VHE) gamma-ray sources. It is composed of 4 large diameter telescops working in stereoscopic mode and allows an unequaled survey of the galactic plane at these extreme wavelenghts. The H.E.S.S. experiment showed the presence of high energy particles up to 100 TeV within supernova remnant. This astrophysical objects are believed to be the main particle accelerator within the Galaxy. However, the particle nature remains unclear. This thesis presents a new observationnal approach in order to show hadronic particles acceleration through diffusive shock within supernova remnant. A search of supernova remnant associated with molecular cloud have been led within the HESS source catalog and the H.E.S.S. observations. An analysis of the new VHE gamma-ray source in Monoceros and its interpretation are presented. As well, the analysis and interpretation of new observations of the unidentified source HESS J1745-303 are presented. The multi-wavelength analysis of the new source HESS J1714-385, coincident with the supernova remnant CTB37A is presented. A contribution to the H.E.S.S. phase II building is also presented. This second phase consists in the building of a fifth telescop at the center of the existing system. The series tests of the new camera sampling system are reported., Le télescope H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System), implanté en Namibie, est actuellement le plus efficace pour l'observation de sources de rayons gamma de très haute énergie. Constitué de 4 télescopes de grand diamètre fonctionnant en stéréoscopie, il permet une cartographie sans précédent du plan de la Galaxie à ces longueurs d'onde extrêmes. L'expérience HESS a mis en évidence la présence de particules chargées d'énergie supérieure à une centaine de TeV dans plusieurs vestiges de supernova, lieux probables d'accélération de particules dans la Galaxie, sans toutefois pouvoir conclure sur la nature hadronique ou leptonique des particules. Cette thèse présente une démarche observationnelle alternative visant à mettre en évidence l'accélération de hadrons par onde de choc dans les vestiges de supernova. Une recherche de vestiges associés à des nuages moléculaires a été menée avec les sources déjà détectées par H.E.S.S. et dans l'ensemble des observations réalisées. L'analyse et l'interprétation de trois sources de rayons gamma sont décrites. La première est la nouvelle source découverte par H.E.S.S. dans la constellation de Monoceros. Je présente ensuite l'analyse des nouvelles observations réalisées en direction de la source non identifiée HESS J1745-303. Enfin l'analyse multi-longueurs d'onde de la nouvelle source de rayons gamma coïncidente avec le vestige de supernova CTB37A est décrite. Je développe les possibles interprétations de cette émission de rayons gamma. Un apport à la construction de la seconde phase de l'expérience H.E.S.S. est présentée. Cette deuxième phase consiste en l'adjonction d'un cinquième télescope de 28 mètres de diamètre au centre du système existant. J'ai pris en charge les tests et la sélection des 6000 puces constituant le système d'échantillonnage de la caméra qui équipera ce télescope.