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Gamma-Ray Bursts (GRBs) are extra-galactic transient phenomena that continue to puzzle scientists, 50 years after their discovery. Associated to violent events like the death of massive stars, they consist of two phases: the prompt emission, a burst of gamma-ray photons lasting typically few seconds and the afterglow, detectable in X-ray, visible and radio wavelengths up to few days after the prompt GRB. Being some of the most luminous phenomena in the Universe, GRBs are extremely interesting: they are among the farthest cosmic sources observed, representing a unique mean to probe stellar populations and the intra and inter-galactic medium at the highest redshifts. However, because of their short duration, their unpredictable times and sky localization, the study of GRBs remains challenging, even for modern astronomy. The Sino-French mission SVOM, to be launched end of 2023, encompasses two wide-field (ECLAIRs and GRM) and two narrow-field (MXT and VT) instruments for detecting, characterizing and localizing the GRB prompt and afterglow emissions. SVOM also benefits from three dedicated ground telescopes (GWAC, C-GFT and COLIBRI) and an antennae network, allowing to alert the scientific community within few minutes after the prompt emission detection for an optimal follow-up. My work focused on ECLAIRs, the wide-field hard X-ray telescope of SVOM. Using its coded mask and on-board computer, ECLAIRs will detect in near real-time the GRB prompt emission and get a crude localization from it. Thanks to its low energy threshold at 4 keV, the telescope will be perfectly suited for the detection of interesting GRB populations such as X-ray Flashes or high-redshift GRBs. My thesis has been focused on the evaluation of ECLAIRs performances in space: I have combined instrumental effects with models of the background sky emission and GRB/X-ray sources to accurately simulate the instrument data stream. These simulations have been used for example to evaluate the sensitivity of ECLAIRs to various types of transients, to calculate the GRB detection rate expected during the mission, and as a support to evaluate the science impact of various configuration parameters of the instrument. They have also been used as a framework for developing alternative trigger algorithm solutions to the on-board software, motivated by the unique ability of ECLAIRs to transfer all the events recorded on-board to the ground. Relying on simulated background orbits and GRBs, I have used a neural-network architecture suited for the anomaly detection on time series. This method may become part of an offline trigger able to detect transients missed by the on-board algorithm. Another application presented in the manuscript is the evaluation of ECLAIRs sensitivity to short high-energy (HE) transients coming from our local Universe (z

Gamma-Ray Bursts (GRBs) are brief flashes of gamma-ray photons produced by ultra-relativistic jets after a newly born stellar black hole, and represent the most energetic phenomena known in the Universe. The forthcoming Sino-French mission SVOM will be dedicated to the observation of GRBs and will open a new era in the time-domain and multi-messenger astrophysics. With a better synergy between the detection of GRBs by instruments on board the satellite and their follow-up with ground telescopes, SVOM will offer a new insight on these extreme phenomena. In this thesis, I focused on the preparation and the scientific exploitation of the mission on long, medium and short term.Long-term: among the GRB population, a subpopulation known as Long Gamma-Ray Bursts (LGRBs) is believed to be associated with the death of massive stars, which makes them promising tracers of the cosmic star formation history up to very high redshift (z > 8). However, previous work suggested that some conditions seem to be required to form an LGRB, related for instance to the low metallicity of the progenitor or its surrounding environment. Through my work, I studied the influence of the stellar density on the efficiency of LGRB formation. Given that these phenomena are extragalactic, the analysis can only be performed through the global properties of the host galaxy. By comparing a sample of LGRB host galaxies to a sample of star-forming galaxies obtained from a deep surveys, I showed that LGRBs tend to be observed more frequently in compact galaxies with a density of star formation and stellar mass higher than found in galaxies of the field.Mid-term: the build-up of the new sample of well-characterized GRBs identified with SVOM will require an efficient follow-up by the SVOM science community. In this goal, I actively contributed to the program led with the Very Large Telescope by the Stargate consortium to follow-up the GRBs currently detected by the Swift satellite. I also played a key role in setting up the recent follow-up of these alerts with the MISTRAL spectro-imager mounted on the T193 at the Observatoire de Haute-Provence.Short-term: SVOM will perform a systematic X-ray follow-up of GRBs using the X-ray telescope on board the satellite (MXT). In this context, I actively participated in the energy calibration of the MXT flight model and in the development of an optimized data processing. This demonstrated the excellent spectral performance of MXT before its launch. Once in flight, this processing will ensure high quality reduced products for scientific analysis., Les sursauts gamma (GRBs) sont de brefs flashs de rayons gamma causés par des jets ultra-relativistes après la formation d'un trou noir stellaire, et représentent les phénomènes les plus énergétiques connus dans l'Univers. La future mission franco-chinoise SVOM sera dédiée à l'observation des GRBs et ouvrira une nouvelle ère dans le domaine du ciel transitoire et multi-messager. Grâce à une meilleure synergie entre la détection des GRBs par les instruments à bord du satellite et leur suivi par les télescopes au sol, SVOM promet d'apporter un nouveau regard sur ces phénomènes extrêmes. Dans cette thèse, je me suis intéressé à la préparation et à l'exploitation scientifique de la mission à long, moyen et court terme.À long terme : parmi la population des GRBs, une sous-population constituée des sursauts gamma longs (LGRB) s'est révélée être associée à la fin de vie des étoiles massives, ce qui en fait des traceurs prometteurs de la formation stellaire cosmique jusqu'à de très grands décalages spectraux (z > 8). Cependant, des études ont suggéré que certaines conditions semblent être requises pour former un LGRB, liée par exemple à la faible métallicité du progéniteur ou de son environnement proche. À travers mon travail, j'ai étudié l'influence de la densité stellaire sur l'efficacité de formation des LGRBs. Puisque ces phénomènes sont extragalactiques, ce type d'étude ne peut se faire qu'à travers les propriétés globales de la galaxie hôte. En comparant un échantillon de galaxies hôtes de LGRBs à un échantillon de galaxies à formation d'étoiles obtenu à partir d'un sondage profond de l'Univers, j'ai montré que les LGRBs ont tendance à être observés plus fréquemment dans des galaxies compactes ayant une densité de formation d'étoiles et de masse stellaire plus élevées que la normale.À moyen terme : la constitution du nouvel échantillon de GRBs proprement caractérisés et identifiés par la mission SVOM nécessitera un suivi efficace des alertes par la communauté scientifique de SVOM. Dans ce but, j'ai pris part de manière active au programme mené par le consortium Stargate à l'aide du Very Large Telescope pour conduire le suivi des GRBs actuellement détectés par la mission Swift. J'ai également joué un rôle important dans la récente mise en place du suivi de ces alertes avec le spectro-imageur MISTRAL installé sur le T193 de l'Observatoire de Haute-Provence.À court terme : SVOM effectuera un suivi systématique des GRBs dans le domaine des rayons X en utilisant un télescope X à bord du satellite (MXT). Dans ce contexte, j'ai participé activement à la calibration en énergie du modèle de vol de MXT et à la mise en place d'un traitement optimisé des données. Ceci a permis de démontrer l'excellente performance spectrale de MXT avant son lancement. Une fois en vol, ces traitements permettront de tirer le meilleur parti des données pour leur exploitation scientifique.

The era of multi-messenger astronomy with gravitational waves started with the coalescence of a neutron star binary named GW170817. This signal was followed by a rich set of electromagnetic counterparts: a weak short gamma-ray burst, a kilonova thermal transient signal, a long-lived afterglow. This multi-messenger dataset allowed major advances in astrophysics, and the era of gravitational waves is full of promise with the next gravitational-wave observing campaigns and a more efficient and better organized electromagnetic follow-up. The analysis of this event allowed the first fine study of the structure of relativistic jets which are launched by the coalescence of compact objects and in which some gamma-ray bursts are produced. This PhD thesis presents work begun shortly after GW170817 that explores three avenues of research motivated by the onset of the multi-messenger era: (i) population prospects for the electromagnetic counterparts of gravitational-wave signals from compact object coalescences; (ii) prospects for exploiting these events to measure the Hubble constant and to study the environments of compact object coalescences; and (iii) exploration of the possible consequences of jet structure on gamma-ray burst afterglows.; L'astronomie multi-messagers avec ondes gravitationnelles a débuté avec la coalescence d'une binaire d'étoiles à neutrons dénommée GW170817. Ce signal fut suivi d'un riche ensemble de contreparties électromagnétiques: un sursaut gamma court faible, un signal transitoire thermique de kilonova, une rémanence de longue durée. Cet ensemble de données multi-messagers ont permis des avancées majeures en astrophysique, et l'ère des ondes gravitationnelles est forte de promesses avec les prochaines campagnes d'observation de signaux gravitationnels et un suivi électromagnétique plus efficace et mieux organisé. L'analyse de cet événement a permis de faire la première étude fine de la structure des jets relativistes qui sont lancés par les coalescences d'objets compacts et dans lesquels certains sursauts gamma sont produits. Cette thèse de doctorat présente des travaux commencés peu après GW170817 qui explorent trois pistes de recherche motivées par le début de l'ère multi-messager: (i) les perspectives de population pour les contreparties électromagnétiques des signaux gravitationnels de coalescence d'objets compacts; (ii) les perspectives d'exploitation de ces événements pour mesurer la constante de Hubble et étudier les environnements des coalescences d'objets compacts; (iii) l'exploration des conséquences possibles de la structure des jets sur les rémanences des sursauts gamma.

Gamma-Ray Bursts (GRBs) are the most luminous explosions in the universe. They are observed as bright flashes of gamma/X-rays (lasting a few milliseconds to a few tens of seconds) followed by an "afterglow" emission (usually at longer wavelengths). They are produced either due to the merger of two compact objects (a pair of neutron stars or a neutron star and a black hole) or due to the core collapse of a massive star (> 15 solar mass). GRBs are excellent candidates to study physics at extreme energies and densities. They also constitute important astrophysical tools to probe the history of the universe as they are observed at all epochs. The upcoming (June 2022) Sino-French mission SVOM (Space-based multi-band astronomical Variable Objects Monitor) aims to detect and study GRBs using dedicated space and ground based instruments to obtain multi-wavelength coverage. The primary instrument onboard SVOM spacecraft is ECLAIRs, a wide-field (~ 2 sr) coded-mask imager sensitive in the 4 - 150 keV energy range. ECLAIRs will detect and localise GRBs (and other high energy transients) in near real time using an onboard trigger. ECLAIRs will encounter a high and variable background due to the wide field-of-view (FoV) and the pointing strategy of SVOM which makes the Earth transit through the FoV. A new method (called Particle Interaction Recycling Approach or PIRA), based on Monte-Carlo simulations (GEANT4), was developed to estimate the variable background accurately and rapidly. The simulations of the background are complemented with simulations of X-ray sources and gamma-ray bursts to generate complete observation scenarios. The variable background of ECLAIRs poses challenges to detect GRBs and affects the sensitivity of the instrument. We use the simulated data to evaluate the performance of the onboard trigger, in particular, the impact of the variable background and its sensitivity to the GRB characteristics (duration, temporal profile, spectral shape,position in the FoV). ECLAIRs will send all detected photons to the ground. In addition, the availability of a larger computational power and the better knowledge of the context (e.g. background variations, sources in the FoV, etc.) on the ground motivates us to develop an "offline trigger" to overcome the challenges faced by the onboard trigger. An algorithm based on wavelet transforms is proposed to detect GRBs as part of the offline trigger. The work in this thesis, i.e. the development of PIRA, instrument's performance evaluation and development of a trigger method, provides a sound basis to build an effective offline trigger that will complement the onboard trigger and improve the overall performance of the SVOM mission.; Les sursauts gamma (Gamma-Ray Bursts ou GRBs) sont les explosions les plus lumineuses de l'univers. On les observe sous la forme de bouffées de rayons X/ƴ (d'une durée de quelques millisecondes à quelques dizaines de secondes) suivies d'une émission rémanente (généralement à de plus grandes longueurs d'onde). Ils résultent soit de la fusion de deux objets compacts (une paire d'étoiles à neutrons ou une étoile à neutrons et un trou noir), soit de l'effondrement du noyau d'une étoile massive (>15 masse solaire). Les GRBs sont d'excellents candidats pour étudier la physique aux énergies et densités extrêmes et un outil astrophysique pour sonder l'histoire de l'univers car ils sont observés à tous les âges de celui-ci. La mission spatiale Sino-Française SVOM (lancement prévu en juin 2022) a pour objectif la détection et l'étude des GRBs à l'aide d'instruments spatiaux et terrestres dédiés afin d'obtenir une couverture multi-longueurs d'onde. Le principal instrument à bord du satellite SVOM est ECLAIRs, un imageur à masque codé à grand champ de vue (~2 sr) fonctionnant dans la bande d'énergie de 4 à 150 keV. ECLAIRs détectera et localisera les GRBs (ainsi que d'autres sources transitoires à hautes énergies) en temps quasi réel grâce à son " trigger " embarqué. Le bruit de fond d'ECLAIRs est élevé et variable en raison du grand champ de vue et de la stratégie de pointage de SVOM qui amène la Terre à transiter dans le champ de vue. Une nouvelle méthode (appelée "Particle Interaction Recycling Approach" ou PIRA en anglais), basée sur des simulations de Monte-Carlo (GEANT4), a été développée pour estimer précisément et rapidement le bruit de fond variable. Les simulations du bruit de fond sont complétées avec des sources X et des sursauts gamma afin de générer des scénarios d'observation complets. Le bruit de fond variable d'ECLAIRs pose des problèmes pour la détection des GRBs et affecte la sensibilité de l'instrument. Nous avons évalué les performances du "trigger" embarqué, notamment l'impact du bruit de fond sur la détection des sources transitoires et sa sensibilité aux caractéristiques des GRBs (durée, profil temporel, forme spectrale, position dans le champ de vue). ECLAIRs enverra au sol tous les photons détectés. De plus, la disponibilité d'une plus grande puissance de calcul et une meilleure connaissance du contexte (par exemple, les variations du bruit de fond, les sources dans le champ de vue, etc.) au sol, nous ont conduits à développer un "trigger" sol pour surmonter les difficultés rencontrées par le "trigger" embarqué. Ainsi, nous proposons un algorithme basé sur des transformées en ondelettes pour détecter les GRBs dans le cadre du "trigger" sol. Les travaux de cette thèse, à savoir le développement de PIRA, l'évaluation des performances et le développement d'un nouvel algorithme de détection de sursauts, fournissent une base solide pour construire un "trigger" sol efficace, qui complétera le "trigger" embarqué et améliorera les performances globales de la mission SVOM.

Massive stars end their life in a violent explosion, called supernova. These explosions are due to the collapse of their iron core and lead to the formation of neutron stars. Observations show that some supernovae have extreme properties, such as their kinetic energy in the case of hypernovae or their luminosity in the case of superluminous supernovae. A central engine different from the neutrino-driven mechanism for standard supernovae is often invoked for these extreme explosions : a magnetorotational explosion. This mechanism assumes on a fast rotating proto-neutron star (PNS) with an intense magnetic field, which extracts the rotational energy to explain the extreme caracteristics of hypernovae or superluminous supernovae. With time, this PNS becomes a magnetar, a class of neutron stars caracterised by a wide diversity of high energy phenomena powered by the dissipation of their strong magnetic field. A magnetic dipole of 10¹⁴-10¹⁵ G can be inferred from the observations of most magnetars. The origin of magnetars and their large-scale magnetic field, especially in presence of fast rotation, remains an open question. Two promising mechanisms are invoked to amplify the magnetic field of PNS : the convective dynamo or the magnetorotational instability (MRI). This thesis studies in more details the scenario of magnetar formation by the MRI. This instability has been studied analytically or in local numerical simulations with a box representing a small part of the PNS. For the first time, this thesis uses simplified spherical 3D models to study the origin of the dipole. A first study is designed to investigate large-scale magnetic field from an initial small-scale one using the incompressible approximation, which enables longer simulation times and the exploration of the parameter space. The numerical simulations of this model show a self-sustained turbulent MRI-driven dynamo, whose saturated state is independent of the initial magnetic field. This saturated state is dominated by a strong turbulent magnetic field of B ≥ 10¹⁵ G, but a non-dominant magnetic dipole represents systematically about 5% of the averaged magnetic field strength. Interestingly, this dipole is found to be tilted toward the equatorial plane. By comparing these results with local simulations, global models reproduce several characteristics of local MRI turbulence such as the kinetic and magnetic spectra, while the turbulence is less vigorous in the global models. A more realistic model based on the anelastic approximation was then developed in order to take into account the density and entropy profiles of the PNS. Simulation results show a self-sustained turbulent MRI-driven dynamo with a strong turbulent magnetic field of B ≥ 10¹⁴ G and a non-dominant equatorial dipole, which represents about 4.3% of the averaged magnetic field strength. Interestingly, an axisymmetric magnetic field at large scales is observed to oscillate with time, which can be described as a mean-field αΩ dynamo. By comparing these results with the models with less physical ingredients, we find that the density gradient favors the apparition of this mean-field behaviour. Buoyancy due to the entropy gradient damps turbulence in the equatorial plane but has a relatively weak influence overall because of the high thermal diffusivity due to neutrinos.To conclude, this thesis supports the ability of the MRI to generate magnetar-like large-scale magnetic fields in a fast-rotating PNS., La fin de vie des étoiles massives donne lieu à une explosion, appelée supernova. Ces explosions sont provoquées par l'effondrement de leur cœur de fer et la formation d'une étoile à neutrons. Les observations des supernovae montrent que certaines d'entre elles ont des caractéristiques extrêmes comme leur énergie cinétique pour les hypernovae ou leur luminosité pour les supernovae superlumineuses. Un moteur central de ces explosions différent du mécanisme des neutrinos pour les supernovae standards est souvent invoqué pour expliquer ces caractéristiques extrêmes : une explosion magnétorotationnelle. Ce mécanisme suppose la formation d'une proto-étoile à neutrons (PNS) en rotation rapide et avec un fort champ magnétique qui permet d'extraire l'énergie de rotation et obtenir une explosion plus énergétique ou lumineuse. Cette PNS, une fois refroidie en étoile à neutrons, fait partie de la classe des magnétars, qui se distingue par toute une diversité d'émissions à haute énergie dues à la dissipation de leur intense champ magnétique interne. Les observations de ces objets permettent d'inférer que la composante dipolaire de leur champ magnétique est de l'ordre de 10¹⁴-10¹⁵ G.L'origine des magnétars et de leur fort champ magnétique à grande échelle, particulièrement en présence de rotation rapide, reste une question ouverte. Deux mécanismes ont été invoqués pour amplifier le champ magnétique dans les PNS : la dynamo convective ou l'instabilité magnétorotationnelle (MRI). Cette thèse se propose d'étudier en détail le scénario de formation par la MRI. Celle-ci a déjà été étudiée de manière analytique ou dans des simulations numériques locales dans une boite représentant une partie de la PNS. Pour la première fois, cette thèse présente des modèles 3D sphériques simplifiés, ce qui permet d'étudier l'origine du dipôle. Une première étude a été menée pour étudier la génération d'un champ magnétique à grande échelle dans l'approximation incompressible, ce qui permet une plus vaste exploration des paramètres et des simulations plus longues. Nos simulations montrent la présence d'une dynamo auto-entretenue, dont l'état saturé ne dépend pas des conditions initiales du champ magnétique. Bien que cet état soit dominé par le champ magnétique turbulent (≥ 10¹⁵ G), un dipôle représentant 5% du champ magnétique moyen est généré dans toutes les simulations. De manière inédite, ce dipôle est orienté vers le plan équatorial plutôt que vers l'axe de rotation. De plus, la comparaison de ces modèles sphériques avec les modèles locaux montre que l'état turbulent de la MRI a des propriétés similaires, bien que le champ magnétique soit légèrement plus faible dans les modèles globaux. Un modèle basé sur l'approximation anélastique a ensuite été développé afin de prendre en compte les profils de densité et d'entropie d'une structure réaliste de PNS. Les simulations montrent également une dynamo auto-entrenue avec un champ magnétique moyen ≥ 10¹⁴ G et un dipôle équatorial de l'ordre de 4.3% du champ magnétique. De plus, un nouveau comportement à grande échelle apparaît avec ce modèle réaliste : une dynamo de champ moyen qui peut être décrite comme une dynamo αΩ. La comparaison de ce modèle avec des modèles idéalisés montre que la stratification en densité favorise l'apparition d'une dynamo de champ moyen. La force de flottaison limite la turbulence dans le plan équatorial mais a une influence assez faible dans l'ensemble du fait de la forte diffusion thermique due aux neutrinos. Dans l'ensemble, les résultats présentés dans cette thèse confirment la capacité de la MRI de former des magnétars dans le cas d'une rotation rapide.

Gamma-ray bursts (GRBs) are among the brightest cosmic events. These short-lasting (few seconds) flashes of gamma-ray photons are followed by a bright transient afterglow observable from the X-ray to the radio wavelengths. The class of long GRBs (LGRBs) is associated with the death of massive stars. LGRBs occur typically in faint galaxies with high specific star formation rates and sub-solar metallicity environments. Their hosts could be representative of the bulk of the galaxy population at the epoch of reionisation, which is still poorly known. LGRBs as probes of galaxies in the high-redshift Universe offer some unique advantages: (i) the flash of gamma-ray photons pinpoints galaxies at all redshifts independently of their emission properties; (ii) due to their exceptional brightness, LGRB afterglows can be used as distant lighthouses able to unveil the interstellar medium (ISM) of even the faintest and most distant galaxies, with details inaccessible otherwise; (iii) the LGRB afterglow emission fades quite quickly, enabling the study of LGRB host galaxies.The aim of this PhD thesis is to use LGRBs to study and interpret some of the properties of faint, high-redshift, star-forming galaxies. To this purpose, I combine the information on the ISM obtained through the absorption lines present in the afterglow spectra to that of the ionised gas obtained from the emission lines in the host galaxy spectra. Moreover, I use numerical simulations to push further the interpretation of the data.The first part of this thesis shows that LGRB afterglows are powerful tools to detect Lyman continuum (LyC) leakage from very faint galaxies and to characterise the pathways of ionising photon escape. I present the results on the observations of LyC emission in the afterglow spectrum of a recently discovered LGRB. I add to my analyses the two other previously known LyC-LGRBs emitters, in order to determine their LyC escape fraction and to compare their properties. The escape fractions calculated along the LGRB sightline of the three host galaxies are substantial and increase the statistics of the rarely detected LyC leakers, especially at really faint absolute magnitude.The second part of this thesis is dedicated to the study of the population of LGRB host galaxies being Lyman alpha emitters (LAEs). I update the census of LAE-LGRB host galaxies by providing a compilation of all available detections, and by determining the LAE statistics from spectroscopic samples of LGRB host galaxies and afterglows. I compare the LAE-LGRB properties to those of LAE samples in the literature. Furthermore, I select a sub-sample of four LAE-LGRBs for which it is possible to measure the main parameters needed to constrain the shell-model fitting of the Lyα emission line. The model gives inconsistent results for the LAE-LGRBs with the highest HI column densities, which are typical of LGRB hosts and LAE-LGRBs. This might suggest that LGRB sightlines may not be representative of the more global pathways of Lyα escape. It could also imply that the detected Lyα emission does not predominantly escape from the young star-forming regions, rich of massive stars, where LGRBs take place. I investigate these results through simulations by using a simulated galaxy at z=3 with properties typical of LGRB hosts. I find that the Lyα photons escape from multiple regions within the galaxy rather than from a dominant, young star-forming region likely hosting a LGRB.This thesis highlights that observations of LGRB afterglows and host galaxies are powerful tools to explore the properties of faint and distant galaxies.; Les sursauts-gamma (GRBs) sont parmi les événements cosmiques les plus brillants. Ces flashs de photons gamma de courte durée sont suivis d'une rémanence brillante observable des rayons X aux ondes radio. La classe des sursauts-gamma longs (LGRBs) est associée à la mort d'étoiles massives. Les LGRBs se produisent généralement dans des galaxies peu brillantes avec des taux de formation stellaire spécifiques élevés et des environnements à métallicité inférieure à la métallicité solaire. Leurs hôtes pourraient être représentatifs de la population de galaxies présente à l'époque de la réionisation, encore mal connue. L'utilisation des LGRBs comme sondes des galaxies dans l'Univers distant offre des avantages uniques : (i) le flash de photons gamma nous permet de détecter des galaxies à tous décalages spectraux indépendamment de leurs propriétés d'émission; (ii) grâce à leur forte luminosité, les LGRBs peuvent être utilisés comme des phares capables de révéler le milieu interstellaire (MIS) des galaxies même les plus faibles et les plus éloignées, en apportant des détails inaccessibles autrement; (iii) la rémanence des LGRBs s'estompe rapidement, permettant l'étude des galaxies hôtes. Le but de cette thèse est d'utiliser les LGRBs pour étudier certaines des propriétés des galaxies à formation d'étoiles, distantes et faibles. Pour cela, je combine les informations sur le MIS obtenues par les raies d'absorption présentes dans les spectres de rémanence à celles du gaz ionisé obtenues par les raies d'émission de la galaxie hôte. De plus, j’approfondis l'interprétation des données à l'aide de simulations numériques.La première partie de cette thèse montre que les LGRBs sont des outils puissants pour détecter l'échappement de photons ionisants de galaxies très faibles et caractériser les voies par lesquelles cela se produit.Je présente les résultats de l'observation d'émission LyC dans le spectre de rémanence d'un LGRB nouvellement découvert. Cette détection est complétée par les observations de deux autres galaxies hôtes de LGRBs pour lesquelles un échappement de LyC est connu, afin de déterminer leur fraction d'échappement en LyC et de comparer leurs propriétés. Les fractions d'échappement calculées le long de la ligne de visée du LGRB sont élevées, et augmentent le nombre de détections des émetteurs LyC, en particulier à des magnitudes absolues très faibles.La deuxième partie de mon travail est consacrée à l'étude de la population des galaxies hôtes de LGRB étant émetteurs Lyman-alpha (LAE). Je mets à jour le recensement de ces galaxies en fournissant une compilation de toutes les détections disponibles, et en déterminant les statistiques de LAEs à partir d'échantillons spectroscopiques de galaxies hôtes de LGRB et de rémanences.A partir de cette étude, je sélectionne un sous-échantillon de quatre galaxies pour lesquelles on peut mesurer les principaux paramètres nécessaires pour contraindre le modèle de coquille utilisé pour interpréter la raie d'émission Lyman-alpha.Le modèle donne des résultats inconsistants pour les LGRB-LAEs qui présentent les densités de colonne d'hydrogène neutre les plus élevées, pourtant typiques des hôtes de LGRB et des LGRB-LAEs.Ce résultat amène à une interprétation des informations sondées le long de la ligne de visée des LGRBs et de l'échappement des photons Lya. Enfin, ces résultats sont approfondis à travers la simulation numérique d'une galaxie à z=3 ayant des propriétés typiques des galaxies hôtes de LGRB. Je trouve que les photons Lyman-alpha s'échappent de plusieurs régions au sein de la galaxie plutôt que d'une seule région dominante jeune et active qui pourrait héberger le LGRB. Cette thèse montre que les observations de la rémanence des LGRBs et de leur galaxie hôte sont des outils puissants permettant d'explorer les propriétés des galaxies faibles et distantes.

ECLAIRs, the hard X-ray imager of the Chinese-French SVOM mission, is dedicated to the detection and localization in near real-time of cosmic transient sources in the energy range from 4 to 150 keV. This instrument is a wide field camera, equipped with a detection plane paved with 6400 CdTe Schottky detectors, which allows to create hard X-ray images of the sky thanks to a localization system called "coded mask". The work presented in this manuscript details the design, the realization and the measurement of the performances of hybrid modules of 32 detectors read by an ASIC (called XRDPIX modules), which constitute the basic bricks of the detection plan, and which make it possible to reach unequalled performances for this type of instrument with a threshold in energy equal to 4 keV. After having posed the problem of detection of transient cosmic sources in X-rays, based on the astrophysical context of the SVOM mission, and then detailed its main instrument, I present, in this thesis, my work on the realization of large pixelated detection plans for gamma-ray astronomy, with in particular my contribution to the study and the realization of the XRDPIX module. The development of the XRDPIX modules, calls for both a low noise design and the use of innovative technologies. The CdTe detectors are biased down to -450V and regulated at low temperature (nominally 20°C) in order to minimize the leakage current and to limit the polarization effects. The low energy threshold required for the space mission is reached thanks to a thorough characterization of the elements constituting the 200 flight XRDPIX, which form the ECLAIRs camera. I present in detail the physical and technological characteristics of these modules, the various stages of their development, justifying the solutions and technical compromises that have marked their manufacture. Then, based on an abundant statistical sample, obtained during the numerous tests and qualifications carried out on several hundreds of modules and sub-modules, I present the results of measurements which demonstrate the excellent performances of the XRDPIX module, in terms of spectral resolution, low energy threshold, gain and counting. Additional studies are also shown, in order to complete the validation of the XRDPIX by analyzing the influence of various physical parameters on the performances, such as temperature. In conclusion, thanks to these abundant data analyses, and to models of the total equivalent noise, I propose optimal settings for two key configuration parameters: the bias value for the high voltage and the peaking time, which allow to obtain the 4 keV energy threshold required by the SVOM mission, with a good uniformity on the whole detection plane. Finally, I present this feedback, coupled with the study of the key parameters that determine the sensitivity of a wide field imager in the hard X-ray domain (detection area, energy range, field of view, ...), which leads me to propose avenues for the realization of ambitious instruments with significant gains in sensitivity in the future.; ECLAIRs, l'imageur à rayons X dur de la mission sino-française SVOM, est dédié à la détection et à la localisation en quasi temps réel de sources transitoires cosmiques dans la plage d'énergie allant de 4 à 150 keV. Cet instrument est une caméra grand champ, munie d'un plan de détection pavé de 6400 détecteurs Schottky CdTe, qui permet de créer des images du ciel en rayons X durs grâce à un système de localisation appelé " masque codé ". Les travaux exposés dans ce manuscrit détaillent la conception, la réalisation et la mesure des performances de modules hybrides de 32 détecteurs lus par un ASIC (appelés modules XRDPIX), qui constituent les briques de base du plan de détection, et qui permettent d'atteindre des performances inégalées pour ce type d'instrument avec un seuil en énergie égal à 4 keV. Après avoir posé la problématique de détection des sources cosmiques transitoires en rayons X, en s'appuyant sur le contexte astrophysique de la mission SVOM, puis détaillé son instrument principal, j'expose, dans ce mémoire de thèse, mon travail sur la réalisation de grands plans de détection pixélisés pour l'astronomie gamma, avec en particulier ma contribution à l'étude et à la réalisation du module XRDPIX. Le développement des modules XRDPIX, fait appel à la fois à une conception faible bruit et à l'utilisation de technologies innovantes. Les détecteurs CdTe sont polarisés jusqu'à -450V et régulés à basse température (nominalement 20°C) afin de minimiser le courant de fuite et de limiter les effets de polarisation. Le seuil bas en énergie requis pour la mission spatiale est atteint grâce à une caractérisation approfondie des éléments constituant les 200 XRDPIX de vol, qui forment la caméra ECLAIRs. Je présente de façon détaillée les caractéristiques physiques et technologiques de ces modules, les différentes étapes de leur développement, en justifiant les solutions et les compromis techniques qui ont jalonné leur fabrication. Ensuite, en me basant sur un échantillon statistique abondant, obtenu lors des nombreux tests et qualifications réalisés sur plusieurs centaines de modules et sous-modules, j'expose les résultats de mesures qui démontrent les excellentes performances du module XRDPIX, en termes de résolution spectrale, de seuil bas en énergie, de gain et de comptage. Des études annexes sont également montrées, afin de compléter la validation des XRDPIX par l'analyse de l'influence de divers paramètres physiques sur les performances, comme par exemple la température. En conclusion, grâce à ces analyses de données abondantes, et à des modélisations du bruit total équivalent, je propose des réglages optimaux pour deux paramètres de configuration clés : la valeur de polarisation pour la haute tension et le peaking time, qui permettent d'obtenir le seuil en énergie de 4 keV exigé par la mission SVOM, avec une bonne uniformité sur l'ensemble du plan de détection. Finalement, je présente ce retour d'expérience, couplé à l'étude des paramètres clés qui déterminent la sensibilité d'un imageur grand champ dans le domaine des X durs (surface de détection, gamme d'énergie, champ de vue, ...), ce qui m'amène à proposer des pistes pour la réalisation d'instruments ambitieux avec des gains en sensibilité significatifs dans le futur.

Collisionless relativistic shock waves play a major role in extreme astrophysical objects such as gamma-ray bursts, blazars and pulsars wind nebulae, in which they are held responsible for producing nonthermal particle and radiation distributions. Without an external magnetic field, these shocks stem from the interaction, mediated by microinstabilities, of a beam of Fermi-accelerated particles with the ambient plasma. There results an electromagnetic turbulence that scatters both the beam and plasma particles. While the background plasma is mainly slowed down and heated, a fraction of its particles are accelerated to suprathermal energies, thus sustaining the shock wave. Understanding the highly nonlinear physics of such structures requires combining analytical models and large-scale particle-in-cell (PIC) numerical simulations. After a short review of the concepts and numerical techniques used to address the topic, we first examine the evolution of the current filamentation instability, which prevails in the precursor region of initially unmagnetized shocks. We then develop a comprehensive microphysical model of such shocks. To this purpose, we introduce the notion of a preferential frame, in which the microturbulence is quasi-magnetostatic, thus allowing the description of the particle scattering to be greatly simplified. Finally, we analyze the influence of a neutron ejecta propagating upstream of a gamma-ray burst shock. For each study, our model predictions are substantiated by state-of-the-art PIC simulations. particules; Les ondes de choc relativistes et sans collisions jouent un rôle majeur dans la physique des objets astrophysiques extrêmes, tels que les sursauts gamma, les blazars ou les nébuleuses de vent de pulsar, au sein desquels elles contribuent à la production de distributions non thermiques de particules et rayonnement. Ces ondes de choc résultent de l'interaction, par l'entremise d'une turbulence électromagnétique engendrée par des micro-instabilités, entre un faisceau de particules accélérées par processus de Fermi et le plasma ambiant. La modélisation de leur dynamique constitue un problème complexe, dont le traitement requiert de combiner analyse théorique et simulations numériques de type particle-in-cell (PIC). Après un résumé des concepts et des outils numériques nécessaires à la modélisation du problème, nous étudions l'évolution non-linéaire de l'instabilité de filamentation de courant qui domine la physique du précurseur de tels chocs. Dans un second temps, nous développons un modèle complet de la micro-physique de ces chocs, basé sur la définition d'un référentiel privilégié dans lequel la turbulence est quasi magnétostatique. Ce référentiel nous permet de caractériser le chauffage et le ralentissement du plasma de fond ainsi que la dynamique du faisceau. Pour terminer, nous explorons l'effet d'un éjecta neutronique sur l'évolution du choc avant dans un sursaut gamma. Pour chaque étude, nos prédictions théoriques sont étayées par des simulations PIC de haute résolution.

Collisionless relativistic shock waves play a major role in extreme astrophysical objects such as gamma-ray bursts, blazars and pulsars wind nebulae, in which they are held responsible for producing nonthermal particle and radiation distributions. Without an external magnetic field, these shocks stem from the interaction, mediated by microinstabilities, of a beam of Fermi-accelerated particles with the ambient plasma. There results an electromagnetic turbulence that scatters both the beam and plasma particles. While the background plasma is mainly slowed down and heated, a fraction of its particles are accelerated to suprathermal energies, thus sustaining the shock wave. Understanding the highly nonlinear physics of such structures requires combining analytical models and large-scale particle-in-cell (PIC) numerical simulations. After a short review of the concepts and numerical techniques used to address the topic, we first examine the evolution of the current filamentation instability, which prevails in the precursor region of initially unmagnetized shocks. We then develop a comprehensive microphysical model of such shocks. To this purpose, we introduce the notion of a preferential frame, in which the microturbulence is quasi-magnetostatic, thus allowing the description of the particle scattering to be greatly simplified. Finally, we analyze the influence of a neutron ejecta propagating upstream of a gamma-ray burst shock. For each study, our model predictions are substantiated by state-of-the-art PIC simulations. particules; Les ondes de choc relativistes et sans collisions jouent un rôle majeur dans la physique des objets astrophysiques extrêmes, tels que les sursauts gamma, les blazars ou les nébuleuses de vent de pulsar, au sein desquels elles contribuent à la production de distributions non thermiques de particules et rayonnement. Ces ondes de choc résultent de l'interaction, par l'entremise d'une turbulence électromagnétique engendrée par des micro-instabilités, entre un faisceau de particules accélérées par processus de Fermi et le plasma ambiant. La modélisation de leur dynamique constitue un problème complexe, dont le traitement requiert de combiner analyse théorique et simulations numériques de type particle-in-cell (PIC). Après un résumé des concepts et des outils numériques nécessaires à la modélisation du problème, nous étudions l'évolution non-linéaire de l'instabilité de filamentation de courant qui domine la physique du précurseur de tels chocs. Dans un second temps, nous développons un modèle complet de la micro-physique de ces chocs, basé sur la définition d'un référentiel privilégié dans lequel la turbulence est quasi magnétostatique. Ce référentiel nous permet de caractériser le chauffage et le ralentissement du plasma de fond ainsi que la dynamique du faisceau. Pour terminer, nous explorons l'effet d'un éjecta neutronique sur l'évolution du choc avant dans un sursaut gamma. Pour chaque étude, nos prédictions théoriques sont étayées par des simulations PIC de haute résolution.

SVOM is a Sino-French space mission to be launched at the end of 2021. Its objective is the study of gamma-ray bursts (GRBs) and other transient high energy sources. These GRBs are very powerful cosmic explosions that can be detected at extreme distances. They appear randomly on all the sky and emit radiation in a wide wavelength range, from the infrared emission to gamma rays. SVOM space mission will shed new light on the physical phenomena associated to GRBs by detecting and observing them in real time over a wide energy range. The satellite, which will be injected on a low Earth orbit, will carry four instruments sensitive from the visible to the gamma-ray domain. Ground based telescopes will complement the space borne ones and will allow for follow-up observations from the visible to the infrared band. The MXT instrument, whose optics are based on the “lobster eyes” principle, will observe GRBs soft X-rays counterparts (afterglows) between 0.2 and 10 keV. This optics will be used for the first time for an X-ray telescope which means to characterize this optics. MXT will play a key role in the localization of these astrophysical sources that will be transmitted, in real time, to ground based instruments allowing for fast and precise observations. During my thesis, I developed an MXT observation simulator in order to predict the performances of the instrument during the mission. I also developed localization algorithms to be implemented on board the SVOM satellite and made use of the state of the art knowledge about X-ray afterglows in order to predict the localization capabilities of MXT. I demonstrated thaht 50% of these afterglows will be localized with a better precision than the arc-minute. I finally applied my simulation tools in the case of gravitational wave sources and, in particular, to assess the capabilities of MXT to observe bright X-ray counterparts of binary neutron star mergers., SVOM est une mission spatiale franco-chinoise qui sera lancée à la fin de l’année 2021. Son objectif est d’étudier les sursauts gamma et autres sources transitoires du ciel X et gamma. Les sursauts gamma sont des explosions cosmiques brèves et très énergétiques permettant leurs détections à des distances extrêmes. Ils apparaissent de manière aléatoire sur tout le ciel et émettent de la radiation dans une large gamme de longueurs d’ondes, allant de l’émission en infrarouge jusqu’aux rayons gamma. SVOM, qui évoluera en orbite basse autour de la Terre, sera composé de quatre instruments, sensibles du domaine visible aux rayons gamma, et sera couplé à des télescopes situés sur Terre qui effectueront des observations complémentaires dans les longueurs d’ondes allant du visible à de l’infrarouge. Le travail que je présente dans cette thèse est basé sur l’étude des performances du télescope MXT, dont l’optique est inspirée du principe de fonctionnement des “yeux des langoustes”. Elle sera mise en place pour la première fois dans le cadre de télescopes X, nécessitant donc de comprendre la réponse de cette optique. MXT est chargé d’observer, la contrepartie qui suit les sursauts gamma, dite émission rémanente, dans la gamme des rayons X entre 0,2 et 10 keV. Il joue un rôle clé dans la localisation précise de ces sources astrophysiques afin de transmettre, en temps réel, leurs positions aux télescopes situés au sol, qui observeront à leur tour, rapidement et précisément, le phénomène. Au cours de mon travail de thèse, j’ai mis en place un simulateur d’observation de MXT qui m’a permis d’estimer et d’étudier les performances attendues de l’instrument au cours de la mission. J’ai également développé des algorithmes de localisation qui seront implémentés à bord du satellite. Ceux-ci m’ont ensuite permis de tester les capacités de localisation de MXT à partir d’une base de données des rémanences de sursauts gamma et de montrer que 50% de ces rémanences seront localisées plus précisément que la minute d’arc. J’ai enfin appliqué une partie de mes modélisations numériques dans le cas de sources d’ondes gravitationnelles afin d’évaluer la détection des contreparties X d’étoiles à neutrons binaires.

Gamma-ray bursts (GRBs) are brief bursts of high-energy electromagnetic radiation originating from space, formed in an ultra-relativistic jet following the aftermath of a newly born stellar mass black hole. A subclass of so-called long-duration GRBs (LGRBs, lasting typically a few tens of seconds) have been shown to be associated with the core-collapse of massive stars. Due to the short-lived nature of massive stars, LGRBs have been suggested as promising tracers of star formation up to the earliest epochs of the Universe. However, not all massive star core-collapses give rise to LGRBs as these are rare events, requiring particular conditions to form. In this thesis, we investigate a crucial ingredient for using LGRBs as tracers of star formation: the LGRB efficiency, defined as the fraction of core-collapses that form an LGRB. In the first part of the thesis, we present a statistical population model developed to reproduce three carefully selected observational constraints. This model allows us to constrain the intrinsic LGRB population and quantify the LGRB efficiency, showing that it increases with redshift. The second part of the thesis is devoted to identifying the factors affecting the LGRB efficiency by studying a complete, unbiased sample of LGRBs at 1 < z < 2. We study the environments in which LGRBs form by studying the properties of their host galaxies and comparing them with typical star-forming galaxies. We show that, as expected from theoretical considerations, metallicity is a key driving factor behind the LGRB efficiency. These results combined bring us one step closer to understanding the progenitors of LGRBs.; Les sursauts gamma (GRB) sont de brèves bouffées de rayonnement électromagnétique à haute énergie provenant de l'espace, formés dans un jet ultra-relativiste à l'issue de la naissance d'un trou noir stellaire. Une sous-classe de GRB dite longs (LGRB) s'est avérée associée à l'effondrement de coeur d'étoiles massives, ainsi les LGRB ont été suggérés comme des traceurs prometteurs de la formation stellaire jusqu'aux premiers ages de l'Univers. Cependant, les coeurs stellaires ne donnent pas tous lieu à des LGRB, car ces derniers sont des événements rares nécessitant des conditions particulières pour être formés. Dans cette thèse, nous étudions un ingrédient essentiel pour utiliser les LGRB en tant que traceurs de formation stellaire: l’efficacité des LGRB, définie comme la fraction des effondrements de coeur qui forme un LGRB. Dans la première partie de la thèse, nous présentons un modèle statistique de population développé pour reproduire trois contraintes observationnelles soigneusement sélectionnées. Ce modèle nous permet de contraindre la population intrinsèque de LGRB et de montrer que l'efficacité des LGRB augmente avec le redshift. La deuxième partie de la thèse est consacrée à l'identification de facteurs affectant l'efficacité des LGRB par l'étude d'un échantillon complet et sans biais de LGRB à 1 < z < 2. Nous étudions les environnements dans lesquels se forment les LGRB en étudiant les propriétés de leurs galaxies hôtes et en les comparant aux galaxies à formation d'étoiles. Nous montrons que la métallicité est un facteur déterminant régissant l’efficacité des LGRB. Ces résultats combinés offrent un pas de plus vers la compréhension des astres parents des LGRB.

Gamma-ray bursts (GRBs) are brief bursts of high-energy electromagnetic radiation originating from space, formed in an ultra-relativistic jet following the aftermath of a newly born stellar mass black hole. A subclass of so-called long-duration GRBs (LGRBs, lasting typically a few tens of seconds) have been shown to be associated with the core-collapse of massive stars. Due to the short-lived nature of massive stars, LGRBs have been suggested as promising tracers of star formation up to the earliest epochs of the Universe. However, not all massive star core-collapses give rise to LGRBs as these are rare events, requiring particular conditions to form. In this thesis, we investigate a crucial ingredient for using LGRBs as tracers of star formation: the LGRB efficiency, defined as the fraction of core-collapses that form an LGRB. In the first part of the thesis, we present a statistical population model developed to reproduce three carefully selected observational constraints. This model allows us to constrain the intrinsic LGRB population and quantify the LGRB efficiency, showing that it increases with redshift. The second part of the thesis is devoted to identifying the factors affecting the LGRB efficiency by studying a complete, unbiased sample of LGRBs at 1 < z < 2. We study the environments in which LGRBs form by studying the properties of their host galaxies and comparing them with typical star-forming galaxies. We show that, as expected from theoretical considerations, metallicity is a key driving factor behind the LGRB efficiency. These results combined bring us one step closer to understanding the progenitors of LGRBs.; Les sursauts gamma (GRB) sont de brèves bouffées de rayonnement électromagnétique à haute énergie provenant de l'espace, formés dans un jet ultra-relativiste à l'issue de la naissance d'un trou noir stellaire. Une sous-classe de GRB dite longs (LGRB) s'est avérée associée à l'effondrement de coeur d'étoiles massives, ainsi les LGRB ont été suggérés comme des traceurs prometteurs de la formation stellaire jusqu'aux premiers ages de l'Univers. Cependant, les coeurs stellaires ne donnent pas tous lieu à des LGRB, car ces derniers sont des événements rares nécessitant des conditions particulières pour être formés. Dans cette thèse, nous étudions un ingrédient essentiel pour utiliser les LGRB en tant que traceurs de formation stellaire: l’efficacité des LGRB, définie comme la fraction des effondrements de coeur qui forme un LGRB. Dans la première partie de la thèse, nous présentons un modèle statistique de population développé pour reproduire trois contraintes observationnelles soigneusement sélectionnées. Ce modèle nous permet de contraindre la population intrinsèque de LGRB et de montrer que l'efficacité des LGRB augmente avec le redshift. La deuxième partie de la thèse est consacrée à l'identification de facteurs affectant l'efficacité des LGRB par l'étude d'un échantillon complet et sans biais de LGRB à 1 < z < 2. Nous étudions les environnements dans lesquels se forment les LGRB en étudiant les propriétés de leurs galaxies hôtes et en les comparant aux galaxies à formation d'étoiles. Nous montrons que la métallicité est un facteur déterminant régissant l’efficacité des LGRB. Ces résultats combinés offrent un pas de plus vers la compréhension des astres parents des LGRB.

Gamma-Ray Bursts (GRBs) are very energetic and brief flashes of high-energy radiations which are emitted in a short time scale (fraction of a second to several minutes). The GRB bright emission is thought to be powered by a newly formed stellar-mass black hole that is accompanied by a collimated outflow (i.e. a jet) moving at a relativistic speed. The emission is observed as two successive phases: the highly variable “prompt” phase and the late and less luminous “afterglow” phase. The two instruments on board the Fermi space telescope, the Gamma-ray Burst Monitor (GBM) and the Large Area Telescope (LAT), allow the study of GRB prompt emission over a broad energy range (from ~10 keV to ~100 GeV). In June 2015, a new set of LAT data (Pass 8) was publicly released, which were generated using improved algorithms of reconstruction and classification of gamma-ray events. The main goal of my thesis is the analysis and interpretation of the spectral and temporal properties of the prompt emission phase of the GRBs observed by Fermi, especially using LAT Pass8 data.In the first part of my work, I performed a detailed time-resolved spectral analysis of the prompt phase of GRB 090926A with GBM and LAT data. My results confirm with a greater significance the spectral break at ∼400 MeV that is observed during a fast variability pulse, and they also reveal the presence of a spectral attenuation throughout the GRB prompt emission, as well as an increase of the break energy up to the GeV domain. I interpreted the spectral break in terms of gamma-ray absorption or as a natural curvature of the inverse Compton (IC) emission in the Klein-Nishina regime. Strong constraints on the jet Lorentz factor were obtained in both scenarios. My results lead also to emission radii R ∼10^14 cm, which are consistent with an internal origin of both the keV-MeV and GeV prompt emissions above the jet photosphere.The second part of my work is an exploration of the internal shock model that has been developed by collaborators at the "Institut d'Astrophysique de Paris" (IAP). This model simulates the GRB jet dynamics and the radiations (synchrotron and IC processes) from a population of shock-accelerated electrons. I simulated the response of the Fermi instruments to the synthetic GRB spectra provided by this numerical code. From these simulations, I built a new parametric function that can be used to fit the keV-MeV spectra of GRBs with the model. I applied successfully this function to a sample of 64 GBM bright GRBs. I confronted also the IAP model to the prompt emission spectrum of GRB 090926A. I obtained a relatively good agreement and I identified a couple of solutions that may improve it. The synthetic spectra are wider than any GRB spectra in the GBM sample. I present some theoretical developments that could improve the data-model agreement in the future, and I discuss possible advances from future GRB missions as well.; Les sursauts gamma (GRBs pour "Gamma-Ray Bursts" en anglais) sont de brèves bouffées très énergétiques de rayonnement de haute énergie qui sont émises sur de courtes échelles de temps (fraction de seconde à plusieurs minutes). L'émission intense des sursauts gamma à haute énergie est supposée provenir d'un trou noir de masse stellaire nouvellement formé, accompagné d'un vent collimaté (i.e. un jet) se propageant à vitesse relativiste. L'émission est observée suivant deux phases successives, la phase prompte très erratique, et la phase de rémanence, moins lumineuse. Les deux instruments embarqués sur le satellite Fermi, le "Gamma-ray Burst Monitor" (GBM) et le "Large Area Telescope" (LAT), permettent d'étudier l'émission prompte des sursauts gamma sur une grande plage d'énergie (de ~10 keV à ~100 GeV). L'objectif principal de ma thèse est l'analyse et l'interprétation des propriétés spectrales et temporelles de l'émission prompte des GRBs observés par Fermi, en particulier avec les nouvelles données du LAT (Pass 8) qui ont été rendues publiques en juin 2015.La première partie de mon travail est une analyse spectrale résolue en temps de la phase prompte du sursaut GRB 090926A avec les données du GBM et du LAT. Mes résultats confirment avec un meilleur niveau de confiance la présence d'une cassure spectrale à ~400 MeV, qui est observée en coincidence avec un pic d'émission très court. Ils révèlent que cette atténuation spectrale est présente durant toute l'émission prompte du sursaut, et que l'énergie de cassure augmente jusqu'au GeV. L'interprétation de la cassure spectrale en termes d'absorption gamma ou de courbure naturelle du spectre d'émission Compton inverse (CI) dans le régime Klein-Nishina fournit des contraintes fortes sur le facteur de Lorentz du jet. Mes résultats conduisent en outre à des rayons d'émission R ∼10^14 cm qui sont compatibles avec une origine interne de l'émission du keV au GeV au-dessus de la photosphère du jet.La seconde partie de mon travail est une exploration du modèle de chocs internes développé par des collaborateurs à l'Institut d'Astrophysique de Paris (IAP). Ce modèle simule la dynamique du jet et les processus d'émission (synchrotron et CI) d'une population d'électrons accélérés aux chocs. J'ai simulé la réponse instrumentale de Fermi à un sursaut synthétique fourni par ce code numérique, et j'ai construit une fonction paramétrique qui peut être utilisée pour ajuster le modèle aux spectres de sursauts du keV au MeV. J'ai appliqué cette fonction avec succès à un échantillon de 64 sursauts brillants détectés par le GBM. J'ai aussi confronté le modèle de l'IAP au spectre d'émission prompte de GRB 090926A. Mes résultats montrent un bon accord, et j'ai identifié quelques pistes pour les améliorer. Les spectres synthétiques sont plus larges que tous les spectres dans l'échantillon du GBM. En conséquence, je discute brièvement quelques pistes de développements théoriques qui pourraient améliorer l'accord du modèle avec les observations, ainsi que des avancées observationnelles attendues dans le futur.

Discovered in the early 1970s, gamma-ray bursts (GRBs) are amazing cosmic phenomena appearing randomly on the sky and releasing large amounts of energy mainly through gamma-ray emission. Although their origin is still under debate, they are believed to be produced by some of the most violent explosions in the Universe leading to the formation of stellar black-holes. GRBs are detected by their prompt emission, an intense short burst of gamma-rays (from a few millisecondes to few minutes), and are followed by a lived-afterglow emission observed on longer timescales from the X-ray to the radio domain. My thesis participates to the developement of the SVOM mission, which a Chinese-French mission to be launched in 2021, devoted to the study of GRBs and involving space and ground instruments. My work is focussed on the main instrument ECLAIRs, a hard X-ray coded mask imaging camera, in charge of the near real-time detection and localization of the prompt emission of GRBs. During my thesis, I studied the scientific performances of ECLAIRs and in particular the number of GRBs expected to be detected by ECLAIRs and their characteristics. For this purpose, I performed simulations using the prototypes of the embedded trigger algorithms combined with the model of the ECLAIRs instrument. The input data of the simulations include a background model and a synthetic population of gamma-ray bursts generated from existing catalogs (CGRO, HETE-2, Fermi and Swift). As a result, I estimated precisely the ECLAIRs detection efficiency of the algorithms and I predicted the number of GRBs to be detected by ECLAIRs : 40 to 70 GRBs per year. Moreover, the study highlighted that ECLAIRs will be particularly sensitive to the X-ray rich GRB population. My thesis provided additional studies about the localization performance, the rate of false alarm and the characteristics of the triggers of the algorithms. Finally, I also proposed two new methods for the detection of GRBs.The preliminary results were very promising and demonstrate that the sensitivity of ECLAIRs to the short GRBs (an interesting population due to the predicted association with gravitational waves) could be improved further.; Les sursauts gamma sont des événements fascinants de par leur origine longtemps restée mystérieuse, leur apparition imprévisible dans le ciel, et la formidable énergie qu'ils libèrent sous forme de bouffées de rayonnement gamma. Découverts fortuitement au début des années 1970, ils se traduisent par un intense flash de rayons gamma de brève durée (de quelques ms à quelques min), appelé émission prompte, suivi d'une émission longue, appelée rémanence, qui décroît rapidement, en émettant depuis les rayons X jusqu'au domaine radio. L'origine des sursauts gamma est encore largement discutée mais ces phénomènes extrêmes sont très vraisemblablement associés à la formation de nouveaux trous noirs stellaires. Mon sujet de thèse se situe au coeur de la mission sino-française SVOM dont le lancement du satellite est prévu en 2021, qui scrutera le ciel pour observer les sursauts avec une précision inégalée, associant observations spatiales et terrestres. Mon travail concerne l'instrument principal de la mission, le télescope spatial ECLAIRs. Il s'agit d'une caméra à masque codé sensible aux rayons X et gamma de basse énergie, en charge de la détection et de la localisation de l'émission prompte des sursauts. Durant mon travail de thèse, j'ai travaillé sur les performances scientifiques de l'instrument ECLAIRs et j'ai en particulier estimé le nombre de sursauts qui seront détectés et leurs caractéristiques. Pour cela, j'ai mis en place des simulations de performances utilisant les prototypes des algorithmes de détection embarqués combinés au modèle de l'instrument ECLAIRs. Les données en entrée des simulations comportent un bruit de fond simulé, et une population synthétique de sursauts gamma générée à partir de catalogues existants issus des observations des missions antérieures (CGRO, HETE-2, Swift et Fermi). Mon étude a permis d'estimer finement l'efficacité de détection d'ECLAIRs et prédit un taux de sursauts attendu par ECLAIRs entre 40 et 70 sursauts par an. Par ailleurs, mon travail a montré qu'ECLAIRs sera particulièrement sensible à une population de sursauts très riches en rayons X, population encore mal connue. Ma thèse présente plusieurs autres études complémentaires portant sur la performance de localisation, le taux de fausses alertes et les caractéristiques des déclenchements des algorithmes. Enfin, j'ai proposé deux nouvelles méthodes originales de détection de sursauts dont les résultats préliminaires présentés dans ma thèse sont très encourageants. Ils montrent que la sensibilité d'ECLAIRs aux sursauts courts (population d'intérêt particulier en raison de son lien attendu avec les ondes gravitationnelles) peut être encore améliorée.

GRBs are ashes of gamma-rays coming from cosmos. They are one of the most mysteriousevents we have been able to observe since their discovery. GRBs are classified into two groups: long/soft GRBs and short/hard GRBs. Their emission mechanism consists of two phases: prompt emission and afterglow emission. The launch of the Swift satellite opened a New Era in the GRBs research. Swift is able to provide accurate position for more GRBs than previous missions, thanks to its fast capabilities of slewing. Furthermore, the Swift shows that GRBs have a canonical behaviour for the X-ray afterglow light curves. The data analysis process remains the key point of GRBs studies. I present a detailed study of the peculiar GRB 141221A at different wavelengths. GRB 141221A shows an unusual steep rise in the optical light curve of the afterglow. The broad band spectral energy distribution, taken near the maximum of the optical emission, presents either a thermal component or a behaviourbreak. This burst displays unusual feature in the optical band, whereas the X-ray data is more common. GRB 141221A is one of the challenging bursts that excludes a stellar wind from the progenitor of the GRBs. A clustering in the X-ray afterglow light curves was observed before the launch of the Swift satellite. This feature has been debated after the launch of the Swift. We have built a sample which consists of 254 GRBs that shows a scattering of the data for the flux distribution at one day. This distribution was investigated with a normalization of light curves at redshift one. We have investigated the problem into three different directions; Les Sursauts de Rayonnement Gamma (GRBs) sont des flashs émanant du cosmos qui sont classés en deux groupes : les longs/doux et les courts/durs. Le lancement du satellite Swift a ouvert une nouvelle ère dans la recherche sur les GRBs. Cette thèse présente une étude détaillée du GRB 141221A qui montre une forte et inhabituelle hausse des valeurs des courbes de lumière dans le domaine optique lors de l'émission rémanente alors que dans le domaine des rayons X ces valeurs sont plus normales. GRB 141221A est un des GRBs qui mettent à l'épreuve les modèles car il exclut tout vent stellaire du progéniteur. Un regroupement des courbes de lumière dans le domaine X lors de l'émission rémanente GRBs a été observé avant le lancement de Swift. Cette classification a été débattue après le lancement de Swift. Nous avons construit un échantillon de 254 GRBs qui montre un éparpillement des distributions du flux à un jour. Cette distribution a été normalisée avec un décalage vers le rouge de 1. Nous avons investigué ce problème selon trois directions: un problème instrumental, un problème de calibration des données ou l'absence de regroupement. Coté instrument, le problème pourrait être observationnel, nous avons en effet observé des effets saisonniers durant les solstices et les équinoxes. Coté calibration des données, un tel problème pourrait avoir une influence sur les résultats de l'étude. La comparaison entre analyse manuelle et automatique des données telle que disponible sur le dépôt Swift-XRT montre de sérieux aléas sur les résultats. Les cas où l'analyse manuelle est judicieuse sont exposés. La dernière possibilité de l'absence de regroupement pourrait être un effet de sélection.

Gamma-Ray Bursts (GRBs) are extra-galactic and extremely energetic transient emissions of gamma rays, which are thought to be associated with the death of massive stars or the merger of compact objects in binary systems. Their huge luminosities involve the presence a newborn stellar-mass black hole emitting a relativistic collimated outflow, which accelerates particles and produces non-thermal emissions from the radio domain to the highest energies. In this article, I review recent progresses in the understanding of GRB jet physics above 100 MeV, based on Fermi observations of bright GRBs. I discuss the physical implications of these observations and their impact on GRB modeling, and I present some prospects for GRB observation at very high energies in the near future., 18 pages, 13 figures -- To be published in a topical review of Comptes Rendus Physique (French Academy of Sciences) on "Gamma-ray Astronomy", Eds. B. Degrange & G. Fontaine

Transient sources are often associated with the most violent phenomena in theUniverse, where the acceleration of hadrons may occur. Such sources includegamma-ray bursts (GRBs), active galactic nuclei (AGN) or core-collapse supernovae(CCSNe), and are promising candidates for the production of high energycosmic rays and neutrinos. The ANTARES telescope, located in the Mediterraneansea, aims at detecting these high energy neutrinos, which could reveal thepresence of a cosmic ray accelerator. However, to enhance the sensitivity to transientsources, a method based on multi-wavelength follow-up of neutrino alertshas been developed within the ANTARES collaboration. This program, denotedas TAToO, triggers a network of robotic optical telescopes and the Swift-XRTwith a delay of only a few seconds after a neutrino detection. The telescopesstart an observation program of the corresponding region of the sky in order todetect a possible electromagnetic counterpart to the neutrino event. The workpresented in this thesis covers the development and implementation of an opticalimage analysis pipeline, as well as the analysis of optical and X-ray data to searchfor fast transient sources, such as GRB afterglows, and slowly varying transientsources, such as CCSNe., Les sources transitoires sont souvent associées aux phénomènes les plus violentsde l’Univers, où l’accélération de hadrons peut avoir lieu. Parmi ces sources, lessursauts gamma, les noyaux actifs de galaxie ou encore les supernovae à effondrementde coeur sont des candidats prometteurs pour la production de rayonscosmiques et de neutrinos de haute énergie. Le télescope ANTARES, situé au fondde la Méditerranée, a pour but de détecter ces neutrinos, qui pourraient révéler laprésence d’une source de rayons cosmiques. Cependant, pour augmenter sa sensibilitéaux sources transitoires, une méthode basée sur le suivi multi-longueurd’onde d’alertes neutrino a été développée au sein de la collaboration ANTARES.Ce programme, TAToO, permet de déclencher un réseau de télescopes optiqueset l’instrument XRT du satellite Swift seulement quelques secondes après la détectiond’un neutrino par ANTARES. Les télescopes commencent un programmed’observation de la région du ciel correspondante pour tenter de détecter une contrepartieoptique ou X à l’événement neutrino. Les travaux présentés dans cettethèse portent sur le développement et la mise en place d’un programme d’analysed’images optiques, ainsi que sur l’analyse de données optiques et X obtenues lorsdes observations par les différents télescopes, pour identifier des sources transitoiresrapides, telles que les émissions rémanentes de sursauts gamma, ou lentes,telles que les supernovae à effondrement de coeur.

GRBs are divided between short bursts, resulting from the coalescence of two compact objects, and long bursts, resulting from the collapse of a very massive star (Wolf-Rayet type). This cataclysmic phenomenon produces an ultra-relativistic jet. Energy dissipation in this jet produces flashes of gamma photons (keV-GeV) with an average duration of 10 seconds which is called prompt emission. It is followed by a detectable afterglow phase in X, optical and radio band which is visible from a few seconds after the bursts to several days or weeks and results from the dissipation of the energy contained in the jet into the surrounding medium. They are the most luminous transient events that we know, which can be detected up to redshifts of about 8-9. Being so bright, GRBs may allow the exploration of the Hubble diagram at high redshift, which is still poorly understood. To do this, it is however necessary to standardize these astrophysical sources and calibrate their brightness. Various relationships linking the intrinsic luminosity of GRBs with a parameter independent from cosmology have been highlighted allowing GRBs standardization. To achieve this goal, it is necessary to assess whether the observed correlations represent an intrinsic property of GRBs. In this thesis, we study selection effects to understand their impact on several relations which have been used to standardize GRBs. Spectral relationships connect the isotropic brightness or isotropic energy, and the peak energy of the prompt emission. We show that a combination of two selection effects, respectively associated with the GRB detection and the measure of their redshift, explains the contradiction between studies based on GRBs with a redshift and studies based on larger samples of GRBs without a redshift. Our study led us to discover a link between the prompt gamma emission and the optical afterglow that is a first step to understand the link between these two phases of the gamma-ray burst emission. Among the second category of relations, we focused on the relation between the luminosity and the spectral lag of the prompt emission. This parameter corresponds to the difference between the times of arrival of GRB photons at high and low energies. We developed our own method for the measure of the spectral lag, which led us to discuss the distribution of this parameter and its relationship to the spectral evolution within GRBs. We also confirmed the existence of selection effect affecting this relationship and compromising its use for cosmology. This thesis highlights the strong impact of observational selection effects on the relations which have been proposed for GRB standardization. We conclude that the study of selection effects is essential to understand if the relations proposed for the standardization of GRBs are intrinsic or due to selection effects, and if they can be used for cosmological purposes.; Les sursauts gamma se divisent entre sursauts courts, issus de la coalescence de deux objets compacts, et sursauts longs, issus de l'effondrement d'une étoile très massive de type Wolf-Rayet. Ce phénomène cataclysmique produit un jet ultra-relativiste. La dissipation de l'énergie au sein de ce jet est à l'origine d'une bouffée de photons gamma (keV-GeV) d'une durée moyenne de 10 s que l'on nomme émission prompte. Elle est suivie d'une phase d'émission rémanente détectable en X, en optique et en radio qui est visible de quelques secondes après le sursauts à quelques jours voir semaines et provient de la dissipation de l'énergie du jet dans le milieu environnant. Il s'agit des événements transitoires les plus lumineux que nous connaissons ce qui permet de les détecter jusqu'à des valeurs de décalage cosmologique (redshift) de l'ordre de 8-9. Cela permet l'exploration du diagramme de Hubble à grand redshift qui reste encore mal connu. Mais pour cela, il est nécessaire de standardiser ces sources astrophysiques afin de calibrer leur luminosité. Diverses relations, liant la luminosité des sursauts gamma à un paramètre indépendant de la cosmologie, ont été mises en évidence permettant de transformer les sursauts en " chandelles standards ". Au cours de cette thèse, nous avons étudié ces relations afin d'apporter un éclairage nouveau sur la façon dont elles sont affectées par divers effets de sélection instrumentaux. Les relations spectrales lient la luminosité isotropique ou l'énergie isotropique à l'énergie du maximum spectral de l'émission prompte. Nous avons montré que la combinaison de deux effets de sélection (détection puis mesure du redshift) permettait d'expliquer les contradictions entre les études reposant sur les sursauts avec redshift et celles incluant les sursauts sans redshift. Cela a conduit à la mise en évidence d'un lien entre l'émission prompte en gamma et l'émission rémanente en optique. Nous nous sommes également intéressé à l'une des relations temporelles, celle reliant Liso au délai spectral. Ce paramètre correspond à la différence entre le temps d'arrivée des photons de hautes et de basses énergies. Après avoir développé notre propre méthode de calcul de cette quantité, nous avons obtenu des résultats intéressants sur les distributions de ce paramètre et son lien avec l'évolution spectrale au sein des sursauts gamma. Nous avons également mis en évidence l'existence d'effets de sélection impactant cette relation et compromettant son usage pour la cosmologie. Plus généralement, cette thèse a permis de mettre en évidence la complexité de la standardisation des sursauts gamma qui ne peut être faites de manière aussi simple que celle utilisée jusqu'à présent. Nous avons montré qu'une étude détaillée des effets de sélection qui affectent ces relations de standardisation est un préalable indispensable avant toute utilisation de ces dernières à des fins cosmologiques.

Here I present my thesis investigating gravitational-wave data analysis in the following two areas. The first is to test the readiness of the LIGO-Virgo collaborations to the advanced detector era, which will begin in the summer of 2015, to make a detection of an astrophysical stochastic gravitational-wave background. The second is to continue an investigation into the science potential of a conceived, third generation gravitational-wave detector, the Einstein Telescope, in terms of astrophysics and cosmology. Both of these are conducted with the use of mock data and science challenges which consists of the production of expected gravitational-wave detector data, containing a large number of sources, that are simulated using realists distributions.; Je présente ma thèse sur l'analyse des ondes gravitationnelles dans les deux domaines suivants. Pour le premier il s'agit de vérifier que les collaborations LIGO et Virgo sont prêtes pour la détection d'un fond gravitationnel stochastique astrophysique pendant l'ère des détecteurs avancés qui va démarrer à l'été 2015. Pour le deuxième il s'agit de poursuivre l'étude du potentiel scientifique, notamment pour l'astrophysique et la cosmologie, d'un détecteur de troisième génération, le Einstein Telescope. Dans les deux cas, j'utilise des "mock data and science challenges" qui consistent à simuler Les données des détecteurs gravitationnels contenant un grand nombre de sources distribuées de façon réalistes dans l'espace des paramètres.

The formation of the first stars hundreds of millions of years after the Big-Bang marks the end of the Dark Ages. Currently, we have no direct observations on how the primordial stars formed, but according to modern theory of stellar evolution these stars should be very massive (about 100 Msun) Population III stars have a potential to produce probably most energetic flashes in the Universe - gamma-ray bursts. GRBs may provide one of the most promising methods to probe directly final stage of life of primordial stars. Today's telescopes cannot look far enough into the cosmic past to observe the formation of the first stars, but the new generation of telescopes will test theoretical ideas about the formation of the first stars.Thanks to many years of observations we have good GRB's data -statistics of occurrence, spectrum, lightcurves. But there are still a lot of questions in the theory of GRBs. We know that GRBs are related to the death of stars and that they are connected with supernovae. So gamma-ray bursts are one of the classes of explosive processes in stellar physics that should have a lot of common with supernovae explosions. In that case GRBs should follow the same physical laws of explosion as supernovae. This work tries to approach the problem of GRBs as a problem of stellar explosion.Necessary instruments of studying stellar explosion were developed as a part of doctoral research: code for solving systems of nuclear reaction equations was incorporated into hydrodynamical code. These tools were applied for supernovae simulations in order to find possible connection with GRBs. Basing on analysis of supernovae simulations spectral analysis of GRBs was performed., La formation des premières étoiles, quelques centaines de millions d'années après le Big Bang, marque la fin de l’âge sombre. Actuellement, nous n’avons aucune observation de la formation de ces étoiles, appelée popIII, mais d’après des simulations numériques de différents groupes, il semblerait que ces étoiles primordiales étaient très massives: plusieurs centaines de masses solaires. Ces premières étoiles, ont produits aussi des sursauts gamma (GRBs). Ainsi, l’étude des GRBs produits à partir des popIII, pourraient permette d’étudier directement le stade final des étoiles primordiales. Les télescopes d'aujourd'hui ne peuvent pas regarder assez loin dans le passé cosmique pour observer la formation des premières étoiles, mais la nouvelle génération de télescopes permettra de tester des idées théoriques sur la formation des premières étoiles.Les GRBs sont liés à la mort d’étoiles massives et qu'ils sont connectés avec des supernovae. En ce sens, les GRBs sont l'une des classes de processus explosifs en physique stellaire et devraient suivre les mêmes lois physiques que l'explosion des supernovae. Ce travail tente d'aborder le problème des GRBs comme un problème d'explosion stellaire et utilise les données d’observation sur les spectres et les courbes de lumières notamment.Dans le cadre de cette thèse, des outils spécifiques ont été développés pour étudier les explosions stellaires: un code numérique pour résoudre les réactions nucléaires a été incorporé dans le code hydrodynamique existant. Ces outils ont été utilisés dans les simulations de supernovae afin d’étudier les connections avec les sursauts gamma: analyse spectrale et étude statistique en fonction du redshift.

This thesis presents the study of four aspects of high energy astronomy.The first part of my thesis is dedicated to an aspect of instrument development for imaging atmospheric Cherenkov telescopes, namely the Level 2 trigger system of the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.). My work on the project focused on the algorithm development and the Monte Carlo simulations of the trigger system and overall instrument (Moudden, Barnacka, Glicenstein et al. 2011a; Moudden, Venault, Barnacka et al. 2011b). The hardware implementation of the system is described andits expected performances are then evaluated. The H.E.S.S. array has been used to observe the blazar PKS 1510-089.The second part of my thesis deals with the data analysis and modeling of broad-band emission of this particular blazar. In part II of my thesis, I am presenting the analysis of the H.E.S.S. data: the light curve and spectrum of PKS 1510-089, together with the FERMI data and a collection of multi-wavelength data obtained with various instruments. I am presenting the model of PKS 1510-089 observations carried out during a flare recorded by H.E.S.S.. The model is based on a single zone internal shock scenario.The third part of my thesis deals with blazars observed by the FERMI-LAT, but from the point of view of other phenomena: a strong gravitational lensing. This part of my thesis shows the first evidence for gravitational lensing phenomena in high energy gamma-rays. This evidence comes from the observation of a gravitational lens system induced echo in the light curve of the distant blazar PKS 1830-211. Traditionalmethods for the estimation of time delays in gravitational lensing systems rely on the cross-correlation of the light curves from individual images. In my thesis, I used 300 MeV-30 GeV photons detected by the Fermi-LAT instrument. The FERMI-LAT instrument cannot separate the images of known lenses. The observed light curve is thus the superposition of individual image light curves. The FERMI-LAT instrument has the advantage of providing long, evenly spaced, time series with very low photonnoise. This allows to use directly Fourier transform methods. A time delay between the two compact images of PKS 1830-211 has been searchedfor both by the autocorrelation method and a new method: the “double power spectrum”. The double power spectrum shows a 4.2 σ evidence for a time delay of 27.1±0.6 days (Barnacka et al. 2011), consistent with the results from Lovell et al. (1998) and Wiklind & Combes (2001).The last part of my thesis concentrates on another lensing phenomena called ”femtolensing”. The search for femtolensing effects has been used to derive limits on the primordial black holes abundance. The abundance of primordial black holes is currently significantly constrained in a wide range of masses. The weakest limits are established for the small mass objects, where the small intensity of the associated physical phenomenon provides a challenge for current experiments. I have usedgamma-ray bursts with known redshifts detected by the FERMI Gamma-ray Burst Monitor (GBM) to search for the femtolensing effects caused by compact objects. The lack of femtolensing detection in the GBM data provides new evidence that primordial black holes in the mass range 5 × 10^17 – 10^20 g do not constitute a major fraction of dark matter (Barnacka et al. 2012). My Ph.D. studies have been carried out jointly between the Nicolaus Copernicus Astronomical Center of the Polish Academy of Sciences, in Warsaw in Poland and the IRFU institute of the Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives(CEA) Saclay in France., La présente thèse porte sur quatre aspects différents de l’astronomie des hautes énergies.La première partie de ma thèse est dédiée à un développement instrumental pour les télescopes Cherenkov imageurs, le système de déclenchement de niveau 2 du télescope de 28 mètres du réseau H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System). Mon travail s’est focalisé sur l’invention d’algorithmes et les simulations Monte-Carlo du système de déclenchement, ainsi que la comparaison de la reconstruction au niveau de la carte de déclenchement à la reconstruction ”hors-ligne” (Moudden,Barnacka, Glicenstein et al. 2011a; Moudden, Venault, Barnacka et al. 2011b). Je décris le système et j’évalue ses performances.Le réseau H.E.S.S. a observé le blazar PKS1510-089. La deuxième partie de ma thèse traite de l’analyse des données et la modélisation de l’émission large bande de ce blazar. C’est un exemple de quasar radio à spectre plat (FSRQ), pour lequel il n’est attendu aucune émission aux très hautes énergiesJ’ai modélisé les données observées pendant un "flare” de PKS1510-089. Ce modèle est basé sur un scénario de choc interne à une zone.Le troisième chapitre de ma thèse est une étude d’un autre phénomène affectant potentiellement les blazars observés par FERMI-LAT: l’effet de lentille gravitationnelle fort. Cette partie de ma thèse montre le premier indice de présence d’un effet de lentille gravitationnelle dans le domaine des photons de haute énergie. Cet indice provient de l’observation d’un écho dans la courbe de lumière du blazar distant PKS1830-211, qui est une lentille gravitationnelle connue. Les méthodes d’estimation des retards temporels dans les systèmes de lentille gravitationnelles reposent sur la corrélation croisée des courbes de lumière individuelles. Dans l’analyse présentée dans cette thèse, j’ai utilisé des photons de 300 MeV à 30 GeV détectés par l’instrument FERMI-LAT. L’instrument FERMI-LAT ne peut pas séparer spatialement les images des lentilles gravitationnelles fortes connues. La courbe de lumière observée est donc la superposition des courbes de lumière des images individuelles. Les données du FERMI-LAT ont l’avantage d’être des séries temporelles régulièrement espacées,avec un bruit de photons très bas. Cela permet d’utiliser directement les méthodes de transformées de Fourier. Un retard temporel entre les images compactes de PKS1830-211 a été recherché par deux méthodes : une méthode d’auto-corrélation et la méthode du ”double spectre”. La méthode du double spectre fournit un signal de 27 ± 0.6jours (statistique) avec une significativité de 4.2 σ. Ce résultat est compatible avec ceux de Lovell et al (1998) et Wiklind et Combes (2001).La dernière partie de ma thèse est consacrée à un effet de lentille différent, le ”femtolensing”. La recherche d’effets de femtolensing a été utlisée pour obtenir des limites sur l’abondance de trous noirs primordiaux. Celle-ci a été contrainte de manière significative dans un large domaine de masses. Les limites les moins contraignantes ont été établies pour les objets de faible masse, pour lesquels la détection représente un défi expérimental. J’ai utilisé les sursauts gamma de redshift connus d´etectés par le Fermi Gamma Ray Burst Monitor (GBM) pour rechercher d’éventuels effets de femtolensing produits par des objets compacts sur la ligne de visée. L’absence de ces effets de femtolensing montre que des trous noirs primordiaux de masse comprises entre 5×10^17 et 10^20 g ne constituent pas une fraction importante de la matière noire. J’ai effectué mes études de thèse en co-tutelle entre le Centre Astronomique Nicolaus Copernicus de l’académie des sciences polonaise, à Varsovie et l’Institut de Recherches sur les Lois fondamentales de l’Univers du CNRS à Saclay, en France.

The aim of this work is the joint detection of gravitational waves and high energy neutrinos in a multi-messengers context. The neutrino and gravitational waves astronomies are still in the phase of development, but they are expected to play a fundamental role in the future. In fact, these messengers can travel big distances because of their weak interaction with matter (contrary to photons that at high energy are rapidly absorbed) without being affected by magnetic fields (contrary to charged cosmic rays). They can also escape dense media and provide informations on the processes taking place in the heart of astrophysics sources. Particularly, GW+HEN multi-messenger astronomy may open a new observational window on the Universe. ANTARES collaboration has built a telescope of area ​​0.1 km² in the Mediterranean Sea for the detection of high energy neutrinos. This is the most sensitive telescope for the observed part of the sky. LIGO and VIRGO interferometers are ground-based detector for direct observation of gravitational waves, instaled in Europe and the USA respectively. Instruments ANTARES, VIRGO and LIGO offer unrivaled sensitivity in the area of ​​joint observation. The first chapter of this thesis introduces the theoretical motivations for GW+HEN search by developing different emission scenarios. The second and third chapters we give an overview of the experiments and review the data analysis tools. The fourth and fifth chapters of this work present the results of the analysis of the combined data from ANTARES, VIRGO and LIGO taken separately in 2007 and 2009-2010., L'objectif de ce travail est la détection conjointe d'ondes gravitationnelles et de neutrinos cosmique de haute énergie à travers une approche multi-messagers. Les astronomies "neutrinos" et "ondes gravitationnelles" sont encore en phase de développement, mais elles sont appelées à jouer un rôle fondamental dans le futur. En effet, ces "messagers" peuvent parcourir de grandes distances grâce à leur faible interaction avec la matière (contrairement aux photons qui, à haute énergie, sont rapidement absorbés), sans être affectés par les champs magnétiques (contrairement aux rayons cosmiques chargés). Ils peuvent également s' échapper de milieux denses et fournir des informations sur les processus qui ont lieu au coeur des sources astrophysique (les photons s' échappent des couches périphériques des objets célestes). En un mot, ces astronomies sont susceptibles d'ouvrir une nouvelle fenêtre d'observation sur le cosmos. La collaboration ANTARES a construit en Méditerranée un télescope sous-marin de neutrino de haute énergie d'une surface de détection proche de 0.1 km². C'est le télescope le plus sensible pour la partie du ciel observée. Les interféromètres VIRGO et LIGO sont des détecteurs terrestres pour l'observation directe d'ondes gravitationnelles, instalés en Europe et aux états-Unis d'Amérique respectivement. Les instruments ANTARES, VIRGO et LIGO offrent une sensibilité inégalée dans la zone de recherche commune. Le premier chapitre de cette thèse introduit les motivations théoriques pour une recherche jointe d'ondes gravitationnelles et de neutrinos de haute énergies en développant les différents scénarios d'émission. Le deuxième et troisième chapitres sont consacrés à l'étude des techniques de détection avec les interféromètres VIRGO-LIGO et le télescope à neutrinos ANTARES. Les quatriéme et cinquième chapitres de ce travail présentent les résultats d'analyses de données combinées d'ANTARES, VIRGO et LIGO prises séparement pendant les années 2007 et 2009-2010.

Astroparticle experiments are being developed with the aim of resolving the mystery of cosmic rays. Questions like from where cosmic rays originate or how do they get accelerated up to ultra high energies are still unresolved. Cherenkov telescopes like ANTARES detect the Cherenkov light emitted by muons propagating in sea water. Muons are produced by the interaction of cosmic neutrinos (signal) or atmospheric neutrinos (noise) with the Earth nuclei. In order to offer the best detection conditions of Cherenkov light, and subsequently ensure a good reconstruction quality of the muons trajectory, the light sensors i.e the photomultipliers must satisfy various conditions.The first part of this thesis focuses on the development of photomultipliers using crystals as a preamplifier of the light signal. The advantage of such a method is the possibility to separate individual photo-electrons and to enhance the temporal resolution by applying a high electric field. The design and conception as well as the possibility to produce such devices at large industrial scales is for the first time developed in this thesis.The second part of the thesis is inspired from the new multi-messenger approach in ANTARES. An optical follow-up with six telescopes spread over the two hemispheres is triggered by the detection of a high energy neutrino or a set of neutrinos coincident in time and direction. Such a system enhances the sensitivity to transient sources such as Gamma Rays Bursts or Core Collapse Supernovae. The neutrino alert system is now fully operational. The system offers good performances; the optical follow-up starts within one minute from the neutrino detection and the median angular accuracy of the reconstructed neutrinos is 0.4◦. Upon the reception of an alert, the telescopes point at the neutrino direction and start the acquisition of image series almost each night of the month follow- ing the neutrino alert. Image analysis tools have been implemented to search for optical transients and first results on the search of GRB optical counterparts correlated with a neutrino signal are presented., L’origine des rayons cosmiques ainsi que les procédés mis en oeuvre dans leur accélération à d’ultra-hautes énergies constituent l’un des sujets les plus débattus en astrophysique de nos jours. Une clé de ce mystère peut se trouver dans la détection de neutrinos cosmiques produits par un panel d’objets astrophysiques candidats à l’émission de rayons cosmiques. Les télescopes à neutrinos tels que ANTARES détectent la lumière Cherenkov issue des muons se propageant dans l’eau de mer. Les muons sont les produits d’interaction de neutrinos cosmiques (signal) ou atmosphériques (bruit) avec les noyaux de la terre. Pour offrir les meilleures conditions de détection de la lumière Cherenkov, et par conséquent bien reconstruire les traces des muons détectés, les détecteurs de lumière i.e les photo- multiplicateurs dont sont équipés les expériences Cherenkov dans la mer ou dans la glace doivent satisfaire plusieurs conditions, telles qu’une bonne résolution temporelle et un bon signal-sur-bruit pour pouvoir séparer les pics photo-électrons.Le premier volet de cette thèse porte sur le développement de photomultiplicateurs utilisant le cristal comme préamplificateur de signal optique. L’avantage d’un tel procédé est la possibilité de séparer plusieurs pics photo-électrons et d’améliorer la résolution tem- porelle grâce à l’application d’un fort champ électrique. La conception d’un tel prototype et la possibilité de son industrialisation à grande échelle sont développés pour la première fois dans cette thèse.Le deuxième volet s’inscrit dans la nouvelle thématique multi-messagers d’ANTARES. Un suivi avec six télescopes optiques répartis sur chaque hémisphère est déclenché lorsque ANTARES détecte un neutrino de haute énergie ou un ensemble de neutrinos coïncidents en temps et en direction. Un tel système permet d’augmenter la sensibilité de détection de neutrinos provenant de sources transitoires tels que les sursauts gamma et les Supernovæ à effondrement de cœur. Un système d’alertes neutrino est maintenant implémenté et fonctionne continument et de manière autonome dans ANTARES. Le système offre de bonnes performances; le suivi optique se déclenche dans la minute suivant la détection neutrino et l’incertitude sur la reconstruction de la trajectoire du neutrino est de 0.4◦ (valeur médiane). Une fois l’alerte reçue par un des télescopes, celui-ci se repositionne sur la direction du neutrino et entame une série d’observations réparties sur le mois suivant l’alerte. Cette thèse a porté dans un premier temps sur l’aspect neutrino en développant le filtre sélectionnant les évènements haute énergie et multi-neutrinos. Des outils d’analyse d’images optiques ont ensuite été implémentés pour la recherche de sources transitoires. Les premiers résultats de recherche de contreparties optiques de sursauts gamma en corrélation avec un signal neutrino sont présentés.

In this thesis we present the results of the search for gravitational wave bursts associated with gamma-ray bursts in the 2009-2010 data from the LIGOVirgo gravitational wave interferometer network. The study of gamma-ray bursts progenitors, both from the gamma-ray emission and the gravitational wave emission point of view, yields the characteristic of the sought signal: polarization, time delays, etc ... This knowledge allows the construction of a data analysis method which includes the astrophysical priors on joint gravitational wave and gamma-ray emission, and moreover which is robust to non-stationary transient noises, which are present in the data. The lack of detection in the analyzed data yields novel observational limits on the gamma-ray burst population., Cette thèse présente les résultats de la recherche de signaux impulsionnels d’ondes gravitationnelles associés aux sursauts gamma dans les données 2009-2010 des interféromètres LIGO-Virgo. L’étude approfondie des mécanismesd’émission d’ondes gravitationnelles par les progéniteurs de sursauts gamma, ainsi que des mécanismes d’émission de rayons gamma eux-mêmes, permet de déterminer les caractéristiques essentielles du signal à détecter : polarisation, délai temporel, etc ... Cette connaissance de l’émission conjointe permet alors de construire une méthode d’analyse qui inclut les a priori astrophysiques. Cette méthode est de plus robuste vis-à-vis des bruits transitoires présents dans les données. L’absence de détection nous permet de placer des limites observationnelles inédites sur la population des sursauts gamma.

Gamma-Ray Bursts (hereafter GRBs) are short and bright flashes of high-energy photons which happen at random time and position on the sky, with a frequency of about two per days. These events are the most energetic known in the Universe, and during their life-time, which goes from a few milliseconds to a couple of minutes, they become most brilliant than the whole sources of the sky gathered.The fast and accurate localisations of the prompt gamma-ray emission of GRB by on-board detectors have led to the discovery of their counterparts in other wavelengths, which have been called afterglows. Due to the fast decay of their luminosity, optical afterglows can only be seen from a few hours to a few days after the burst. Afterglows observations allowed the confirmation of the cosmological nature of GRBs by measures of spectroscopic reddening, the presence of host galaxies, and their association with a pecular type of supernovae.There is some evidence that the prompt emission is collimated into a jet, whereas the late emission is more isotropic. One argument is provided by the achromatic steepening observed in many afterglow light-curves. At about the time of the steepening, the jet spreads out, and the afterglow becomes visible for off-axis observers. Therefore, we expect to observe many more afterglows than GRBs. Afterglows that are not associated with an observed GRB are called orphan afterglows. Since all GRBs recorded to date have been detected by their high-energy emission, the search for orphan GRB afterglows offers a complementary way to test the beaming hypothesis and to measure the beaming factor. Untriggered searches for GRB afterglows have already been attempted by a few teams, but none of them leads to the detection of optical afterglows, because of little sensitivity or poor sky coverage.We have performed a search for optical afterglows in the images acquired for the Very Wide Survey, a observational program at the Canada-France-Hawaii Telescope, which covers a thousand of square degrees with a decent limiting magnitude. Each field is observed several times within the same observational period. This recurrence can be used to compare images of the same field in order to detect new, vanishing, and variable objects. This work is done by a dedicated Real Time Analysis System called "Optically Selected GRB Afterglows". This fully automatic pipeline consists at first in creating catalogs of the astrophysical sources of the image, and in calibrating parameters of these sources, and then in comparing catalogs of images of the same field and extracts a list of transient and variable objects. Objects are finally checked manually by a member of the collaboration who choose to reject the object as a false detection or to validate it as a truly variable object.Since the beginning of the RTAS, we analyzed more than 490 square degrees down to magnitude r'=22.5, which represents about 20 millions of objects. Amongst these objects, 0.07% are found to be variable by the process, but only 10% of them are truly variable sources. Most of them are variable stars. We are left with one strong afterglow candidate that seems to follow the decreasing of the luminosity of a typical afterglow. We have also performed simulations which randomly generates afterglow light-curves in the sky, and computes the number of afterglows expected for a given observationl strategy. These simulations show that the Very Wide Survey combined with the RTAS is the best strategy for the search for optical afterglows, since we expect 10 times more afterglows than in previous searches. These simulations also allows us to give a limit to the total number of afterglows in the sky, and to compare this value to the theoretical models. If we assume that we have detected one afterglow, the number of afterglows in the sky at a given time is 100. This value is consistent with the model of Totani & Panaitescu, but incompatible with the predictions of Nakar et al. and Zou et al..; Les sursauts gamma sont des flashes très brefs et intenses de photons de haute énergie se produisant à des positions et à des temps aléatoires, avec une fréquence de deux par jour. Durant leur temps de vie, qui est en moyenne de quelques secondes, ils deviennent plus brillants que l'ensemble des sources de la voûte céleste. Leurs localisations rapides et précises ont permis la découverte de leurs contreparties dans les autres longueurs d'onde, les afterglows. Dans le domaine optique, les afterglows ont la particularité de décroître rapidement en luminosité, ce qui ne les rend visibles que peu de temps après le sursaut (quelques heures à quelques jours). Les mesures de leur décalage vers le rouge ont apporté la preuve que les sursauts gamma sont des évènements se produisant à des distances cosmologiques. Les observations d'afterglows ont aussi montré la présence de galaxies hôtes aux sursauts, et l'émergence de supernovae dans les courbes de lumière d'afterglows.Les modèles théoriques de sursauts gamma prédisent la présence d'une focalisation de l'émission gamma. L'observation de cassures dans un grand nombre de courbes de lumière d'afterglows optiques, conséquence attendue de cette focalisation, a permis de confirmer cette hypothèse. L'afterglow émettant dans un cône qui s'élargit avec le temps, il en découle l'existence d'afterglows qui ne sont pas associés à un sursaut gamma visible. Ceux-ci sont appelés afterglows orphelins. La recherche d'afterglows orphelins est un enjeu crucial pour la compréhension des sursauts gamma. Leur détection permettra en effet l'étude des sursauts proches et des sursauts sans émission gamma, et constituera un excellent moyen pour tester l'hypothèse de focalisation de l'émission gamma. Les quelques recherches d'afterglows optiques qui ont été effectuées jusqu'alors se sont toutes révélées infructueuses, puisque aucun afterglow n'a été identifié.Dans cette étude, je présente une nouvelle recherche d'afterglows optiques. Elle s'effectue dans les images d'une stratégie d'observation ayant lieu au Télescope Canada-France-Hawaii, nommée le Very Wide Survey. Elle prévoit de couvrir 1200 degrés carrés du ciel jusqu'à la magnitude r' = 22,5. Chaque champ est observé plusieurs fois, avec des intervalles de temps de l'ordre de l'heure et de la journée. Afin de traiter les images du Very Wide Survey, j'ai développé et mis en place un système d'analyse en temps réel, nommé "Optically Selected GRB Afterglows". Ce système, entièrement automatisé, crée dans un premier temps des catalogues d'objets à partir des images, puis dans un second temps compare entre eux les catalogues d'un même champ acquis à des instants différents, afin d'extraire les objets variables en luminosité, et ceux qui sont apparus ou ont disparu. Ces objets sont ensuite affichés sur une page Web où ils peuvent être validés comme candidat afterglow par un membre de la collaboration.Les statistiques effectuées sur les catalogues et sur les comparaisons montrent que ce système de recherche est très performant. Plus de 99,5% des images sont traitées sans encombre et rapidement, nous permettant d'envoyer des alertes à la communauté des sursauts en moins de24 heures. Les objets détectés variables représentent moins de 0,01% des objets. Environ 10% d'entre eux sont de véritables objets variables qu'il nous faut séparer manuellement des fausses détections. Durant ma thèse, j'ai également développé un programme de simulation d'afterglows qui permet d'évaluer l'efficacité d'une stratégie d'observation et de calculer un nombre d'afterglows attendus suivant un modèle de sursaut donné. Les résultats des simulations montrent que notre recherche d'afterglows est de loin la plus performante ayant jamais été effectuée. Dans l'intégralité des images du Very Wide Survey, nous attendons entre 4 et 5 détections d'afterglows. Pour l'instant, notre recherche en temps réel n'a pas abouti à l'identification d'un afterglow optique avec certitude. Nous sommes néanmoins capables de proposer des contraintes sur le rapport du nombre d'afterglows sur le nombre de sursauts. La valeur supérieure limite que nous obtenons est de 12,6 afterglows par sursaut gamma, jusqu'à la magnitude 22,5 et avec 90% de confiance.

Gamma-Ray Bursts (hereafter GRBs) are short and bright flashes of high-energy photons which happen at random time and position on the sky, with a frequency of about two per days. These events are the most energetic known in the Universe, and during their life-time, which goes from a few milliseconds to a couple of minutes, they become most brilliant than the whole sources of the sky gathered.The fast and accurate localisations of the prompt gamma-ray emission of GRB by on-board detectors have led to the discovery of their counterparts in other wavelengths, which have been called afterglows. Due to the fast decay of their luminosity, optical afterglows can only be seen from a few hours to a few days after the burst. Afterglows observations allowed the confirmation of the cosmological nature of GRBs by measures of spectroscopic reddening, the presence of host galaxies, and their association with a pecular type of supernovae.There is some evidence that the prompt emission is collimated into a jet, whereas the late emission is more isotropic. One argument is provided by the achromatic steepening observed in many afterglow light-curves. At about the time of the steepening, the jet spreads out, and the afterglow becomes visible for off-axis observers. Therefore, we expect to observe many more afterglows than GRBs. Afterglows that are not associated with an observed GRB are called orphan afterglows. Since all GRBs recorded to date have been detected by their high-energy emission, the search for orphan GRB afterglows offers a complementary way to test the beaming hypothesis and to measure the beaming factor. Untriggered searches for GRB afterglows have already been attempted by a few teams, but none of them leads to the detection of optical afterglows, because of little sensitivity or poor sky coverage.We have performed a search for optical afterglows in the images acquired for the Very Wide Survey, a observational program at the Canada-France-Hawaii Telescope, which covers a thousand of square degrees with a decent limiting magnitude. Each field is observed several times within the same observational period. This recurrence can be used to compare images of the same field in order to detect new, vanishing, and variable objects. This work is done by a dedicated Real Time Analysis System called "Optically Selected GRB Afterglows". This fully automatic pipeline consists at first in creating catalogs of the astrophysical sources of the image, and in calibrating parameters of these sources, and then in comparing catalogs of images of the same field and extracts a list of transient and variable objects. Objects are finally checked manually by a member of the collaboration who choose to reject the object as a false detection or to validate it as a truly variable object.Since the beginning of the RTAS, we analyzed more than 490 square degrees down to magnitude r'=22.5, which represents about 20 millions of objects. Amongst these objects, 0.07% are found to be variable by the process, but only 10% of them are truly variable sources. Most of them are variable stars. We are left with one strong afterglow candidate that seems to follow the decreasing of the luminosity of a typical afterglow. We have also performed simulations which randomly generates afterglow light-curves in the sky, and computes the number of afterglows expected for a given observationl strategy. These simulations show that the Very Wide Survey combined with the RTAS is the best strategy for the search for optical afterglows, since we expect 10 times more afterglows than in previous searches. These simulations also allows us to give a limit to the total number of afterglows in the sky, and to compare this value to the theoretical models. If we assume that we have detected one afterglow, the number of afterglows in the sky at a given time is 100. This value is consistent with the model of Totani & Panaitescu, but incompatible with the predictions of Nakar et al. and Zou et al..; Les sursauts gamma sont des flashes très brefs et intenses de photons de haute énergie se produisant à des positions et à des temps aléatoires, avec une fréquence de deux par jour. Durant leur temps de vie, qui est en moyenne de quelques secondes, ils deviennent plus brillants que l'ensemble des sources de la voûte céleste. Leurs localisations rapides et précises ont permis la découverte de leurs contreparties dans les autres longueurs d'onde, les afterglows. Dans le domaine optique, les afterglows ont la particularité de décroître rapidement en luminosité, ce qui ne les rend visibles que peu de temps après le sursaut (quelques heures à quelques jours). Les mesures de leur décalage vers le rouge ont apporté la preuve que les sursauts gamma sont des évènements se produisant à des distances cosmologiques. Les observations d'afterglows ont aussi montré la présence de galaxies hôtes aux sursauts, et l'émergence de supernovae dans les courbes de lumière d'afterglows.Les modèles théoriques de sursauts gamma prédisent la présence d'une focalisation de l'émission gamma. L'observation de cassures dans un grand nombre de courbes de lumière d'afterglows optiques, conséquence attendue de cette focalisation, a permis de confirmer cette hypothèse. L'afterglow émettant dans un cône qui s'élargit avec le temps, il en découle l'existence d'afterglows qui ne sont pas associés à un sursaut gamma visible. Ceux-ci sont appelés afterglows orphelins. La recherche d'afterglows orphelins est un enjeu crucial pour la compréhension des sursauts gamma. Leur détection permettra en effet l'étude des sursauts proches et des sursauts sans émission gamma, et constituera un excellent moyen pour tester l'hypothèse de focalisation de l'émission gamma. Les quelques recherches d'afterglows optiques qui ont été effectuées jusqu'alors se sont toutes révélées infructueuses, puisque aucun afterglow n'a été identifié.Dans cette étude, je présente une nouvelle recherche d'afterglows optiques. Elle s'effectue dans les images d'une stratégie d'observation ayant lieu au Télescope Canada-France-Hawaii, nommée le Very Wide Survey. Elle prévoit de couvrir 1200 degrés carrés du ciel jusqu'à la magnitude r' = 22,5. Chaque champ est observé plusieurs fois, avec des intervalles de temps de l'ordre de l'heure et de la journée. Afin de traiter les images du Very Wide Survey, j'ai développé et mis en place un système d'analyse en temps réel, nommé "Optically Selected GRB Afterglows". Ce système, entièrement automatisé, crée dans un premier temps des catalogues d'objets à partir des images, puis dans un second temps compare entre eux les catalogues d'un même champ acquis à des instants différents, afin d'extraire les objets variables en luminosité, et ceux qui sont apparus ou ont disparu. Ces objets sont ensuite affichés sur une page Web où ils peuvent être validés comme candidat afterglow par un membre de la collaboration.Les statistiques effectuées sur les catalogues et sur les comparaisons montrent que ce système de recherche est très performant. Plus de 99,5% des images sont traitées sans encombre et rapidement, nous permettant d'envoyer des alertes à la communauté des sursauts en moins de24 heures. Les objets détectés variables représentent moins de 0,01% des objets. Environ 10% d'entre eux sont de véritables objets variables qu'il nous faut séparer manuellement des fausses détections. Durant ma thèse, j'ai également développé un programme de simulation d'afterglows qui permet d'évaluer l'efficacité d'une stratégie d'observation et de calculer un nombre d'afterglows attendus suivant un modèle de sursaut donné. Les résultats des simulations montrent que notre recherche d'afterglows est de loin la plus performante ayant jamais été effectuée. Dans l'intégralité des images du Very Wide Survey, nous attendons entre 4 et 5 détections d'afterglows. Pour l'instant, notre recherche en temps réel n'a pas abouti à l'identification d'un afterglow optique avec certitude. Nous sommes néanmoins capables de proposer des contraintes sur le rapport du nombre d'afterglows sur le nombre de sursauts. La valeur supérieure limite que nous obtenons est de 12,6 afterglows par sursaut gamma, jusqu'à la magnitude 22,5 et avec 90% de confiance.

Les sursauts gamma sont parmi les phénomènes les plus énergétiques présents dans l'Univers. Leurs principales propriétés observationnelles et théoriques sont tout d'abord rappelées. Elles permettent d'envisager l'accélération de particules, ou rayons cosmiques, suivant des mécanismes de Fermi, via un choc externe ultra-relativiste mais également via des chocs internes. Le régime diffusif de Bohm, habituellement utilisé pour décrire l'accélération des rayons cosmiques dans les chocs internes, s'avère inapproprié et reste incompatible avec les observations et le modèle standard associé. Une autre hypothèse, plus aboutie sur le plan théorique, est considérée ici: celle d'un régime diffusif associé à une turbulence de type Kolmogorov. Ce dernier conduit, malheureusement, à un processus d'accélération bien moins efficace, qui reste incapable de produire des rayons cosmiques ultra-énergétiques ($>10^{19}$ eV). Les conséquences d'un tel processus sur l'émission à haute énergie sont détaillées et permettent, notamment, de rendre compte du spectre des émissions promptes observées. Le problème de la génération des rayons cosmiques ultra-énergétiques au sein des sursauts gamma est résolu d'une autre façon: un mécanisme d'accélération additionnelle, sur les irrégularités magnétiques présentes lors de la phase des chocs internes, est proposé. Celui-ci, assimilable à un processus de Fermi relativiste, est étudié analytiquement et numériquement. Les résultats numériques confirment l'efficacité du scénario envisagé et montrent que les capacités accélératrices des sursauts gamma sont tout à fait suffisantes pour produire une quantité importante de rayons cosmiques ultra-énergétiques. Enfin, une signature de ces rayons cosmiques est mise en évidence: il s'agit d'une émission synchrotron d'origine hadronique autour du GeV qui pourrait être observée., Gamma-Ray Bursts are known as one of the most energetic phenomena in the Universe. First, observational and theoretical properties of Gamma-Ray Bursts are recalled. They constitute a strong support in studying cosmic ray acceleration in the external shock but also, in the internal shocks. The Fermi acceleration, in the internal shock model, is usually considered with an assumption of a Bohm scaling: the Bohm's conjecture, which is not confirmed by theory or by numerical simulation, leads to unrealistic conclusions in contradiction with observations and the related standard model. Another hypothesis is so studied with a Kolmogorov scaling: although the acceleration process is unable to generate Ultra-High Energy Cosmic Rays (UHECRs), the consequences on high energy emission are detailled and could explain the origine of the prompt emission. The problem of UHECR generation is solved according to an additional relativistic Fermi process operating in the internal shock phase and using MHD disturbances. A numerical simulation confirms the efficiency of a such process: the Gamma-Ray Bursts can produce an important UHECR flux. At last, synchrotron emission from UHECRs could be at the origine of an observable signature around the GeV energy range.

Antares is a futur neutrino telescope which will be build at 40 km off the french coast (Toulon), at a 2500 m depth. The interaction of a neutrino with matter produces a muon which emits Cerenkov light while propagating in water. This light is detected with 900 PMTs distributed over 12 lines. Gamma ray bursts (GRB) are violent cosmological phenomenon observed once per day. In the Cannonball Model, bursts are produced by the interaction of a jet made of cannonballs (CB) with a supernova remnant (SNR). Forward shocks propagate in the SNR, reverse ones in the CB and neutrinos are produced at the shock fronts. An estimation of the neutrino production is given and is studied over a large parameter range. For a typical GRB, 0.002 to 0.3 $\nu_{\mu}$ cm$^2$ can be produced. Depending on the viewing angle, Antares could detect 1 to 10 $\nu_{\mu}$ per year in correlation with GRBs. The ambiant optical background has been recorded by the Antares prototype sector line. The analysis is about the background in on the detector performance and about the organisms activity which produces it. For example, it appears a 17.6 to 20.4 h periodicity which is compatible with the liquid masses movement imposed by the Coriolis force at the Antares latitude., Antares est un projet de télescope à neutrinos qui sera placé au large de Toulon, à 2500 m de profondeur. L'interaction d'un neutrino avec la matière produit un muon dont la lumière Cerenkov, émise lors de sa propagation, est détectée par 900 photomultiplicateurs répartis sur 12 lignes. Les sursauts gamma (GRB) sont des phénomènes cosmiques violents, observés une fois par jour. Dans le modèle du Boulet de Canon le sursaut est produit par l'interaction d'un jet, composé de boulet de canon (CB), avec le reste d'une supernova (SNR). Des chocs se propagent vers l'avant (dans le SNR) et vers l'arrière (dans le CB), aux abords desquels, les neutrinos sont produits. Une estimation de la production de neutrinos est donnée et, est étudiée sur un large espace des paramètres. Pour un GRB typique, entre 0,002 et 0,3 $\nu_{\mu}$ cm$^2$ sont produits. Selon les angles de vue, Antares pourra détecter entre 1 et 10 $\nu_{\mu}$ par an, en corrélation avec les GRB. Le bruit de fond optique ambiant a été enregistré par le prototype d'une ligne d'Antares. L'analyse porte sur l'influence du bruit de fond sur le détecteur ainsi que sur l'activité des organismes qui en sont responsables. Par exemple il apparaît une périodicité entre 17,6 et 20,4 h compatible avec celle des mouvements des masses liquides imposés par la force de Coriolis à la latitude d'Antares.

présidente: Isabelle Grenier rapporteur Filippo FRONTERA, Peter Von BALLMOOS examinateur: Jean Francois OLIVE; Gamma ray bursts are very short cosmological phenomena (lasting a few milliseconds to several hundred seconds), extremely intense and powerful: the emitted energy is received essentially as photons of a few hundreds of keV. Since their discovery, at the end of the sixties by American satellites of the VELA series, the emission mechanism of gamma ray bursts remains poorly understood by astrophysicists. For 30 years, these phenomena have been sources of surprises and interrogations but at the same time of technological, physical, and theoretical advances. The BATSE experiment has detected during nine years (1991--2000) an average of one burst per day and collected successfully many data on gamma ray bursts. It has showed in particular that gamma ray bursts were distributed isotropically but nonhomogeneously on the sky, which strongly favoured a cosmological origin of gamma ray bursts. The later dectection, thanks to the BeppoSAX satellite (1996--2002), of optical, X and radio counterparts, called ``afterglow'' whose redshifts lie between z=0.1 and z=4, definitely confirmed the cosmological origin of gamma ray bursts. With almost 3000 bursts, BATSE allowed to determine temporal and spectral characteristics of the gamma emission of gamma ray bursts, called the prompt emission. Concerning light curves, they are diverses and each burst is unique. Spectra, on the other hand, are non thermal and can be fit by an empirical model, called the Band model, which is defined by two power laws smoothly connected. The HETE-2 satellite, launched in October 2000, is dedicated to the observation of gamma ray bursts in a broad energy range from 2 keV to 400 keV. The main instrument, the gamma detector FREGATE (6 -- 400 keV), was built by the CESR in Toulouse. I present in this thesis the spectral study of 64 gamma ray bursts detected by HETE-2 between October 2000 and April 2004. In particular, HETE-2 has confirmed the existence of soft gamma ray bursts, previously discovered by BeppoSAX. Two classes of bursts were defined: X-Ray Flashes and X-Ray Rich bursts which form with `` classical'' gamma ray bursts a single phenomenon whose typical energy range extend from few keV to few MeV (including hard gamma ray bursts detected by BATSE). Analysing jointly data of both FREGATE and the WXM (X-ray instrument of HETE-2 which energy range is 2--25 keV) allowed me to study spectra in a particularly broad energy range, covering the low energy portion of the spectrum (2 -- 400 keV). Such an energy range allowed me to study in details spectra of soft gamma ray burst, which represent almost three quarters of the total sample of bursts detected by HETE-2. I have shown that these kind of bursts have the same temporal and spectral characteristics as BASTE bursts. Then I have studied a simplified theoretical model of the internal shocks, which explains the prompt emission of gamma ray bursts. This model, nowadays accepted by the majority of the community, involves a relativistic wind into which shocks are formed, the internal shocks which emit high energy photons, by emission synchotron mainly, forming the prompt emission. This study, using numerical simulations, allowed me to gerenate a significant number of gamma ray bursts. Using the constrains derived from the spectral characteristics of X-Ray-Flashes and X-Ray-Rich bursts detected by HETE-2, I determined the main intrinsic characteristics of the model which allow the production of X ray flashes.; Les sursauts gamma sont des phénomènes cosmologiques très brefs (de quelques millisecondes à plusieurs centaines de secondes), extrêmement intenses et énergétiques: l'énergie émise est reçue essentiellement autour de quelques centaines de keV. Depuis leur découverte à la fin des années soixante par les satellites américains de la série VELA, le mécanisme d'émission des sursauts gamma reste en partie inconnu aux astrophysiciens. Depuis 30 ans, ces phénomènes sont sources de surprises, interrogations, avancés technologiques, physiques, théoriques. Le satellite HETE-2, lancé en Octobre 2000, est dédié à l'observation des sursauts gamma dans une large gamme d'énergie s'étendant de 2 keV à 400 keV. L'instrument principal, le détecteur gamma FREGATE (6--400 keV), fut construit par le CESR à Toulouse. Je présente dans cette thèse l'étude spectrale de 64 sursauts gamma détectés par HETE-2 entre Octobre 2000 et Avril 2004. En particulier, HETE-2 confirma l'existence de sursauts ``mous'', précédemment découverts par le satellite Beppo SAX. Deux classes de sursauts ont été définis: les X-Ray Flash et les sursauts X-Ray Rich qui sont issus avec les sursauts gamma ``classiques'' d'un unique phénomène dont la gamme d'énergie s'étend de quelques keV à quelques MeV (en incluant les sursauts les plus énergétiques détectés par BATSE, expérience qui de 1991 à 2000 recueilli avec succès de nombreuses données sur les sursauts gamma). En mettant en commun les données de FREGATE et de la WXM (instrument X de HETE-2 dont la gamme d'énergie est comprise entre 2 keV et 25 keV), j'ai étudié les spectres dans une gamme d'énergie particulièrement large et qui se situe à basse énergie (2--400 keV). Cette gamme d'énergie m'a permis d'étudier en détails les spectres de ces sursauts mous, qui représentent approximativement les trois quart de l'échantillon total des sursauts détectés par HETE-2. J'ai montré que ces sursauts étaient simplement des sursauts gamma mous, avec les mêmes caractéristiques temporelles et spectrales que les sursauts gamma de BATSE. J'ai ensuite étudié un modèle théorique simplifié des chocs internes qui explique l'émission prompte des sursauts gamma. Ce modèle, aujourd'hui accepté par la majorité de la communauté met en jeu l'émission d'un vent relativiste au sein duquel se forment des chocs: les chocs internes qui, par émission synchrotron principalement, émettent des photons gamma de hautes énergies, formant l'émission prompte. Cette étude m'a permis, à partir de simulations numériques de générer un nombre important de sursauts gamma synthétiques. En utilisant les contraintes déterminées des caractéristiques spectrales des sursauts X-Ray Flashes et X-Ray Rich observés par HETE-2, j'ai déterminer les principales caractéristiques intrinsèques du modèle qui permettent de produire des X-Ray Flashes.

In this thesis we present the results of the search for gravitational wave bursts associated with gamma-ray bursts in the 2009-2010 data from the LIGOVirgo gravitational wave interferometer network. The study of gamma-ray bursts progenitors, both from the gamma-ray emission and the gravitational wave emission point of view, yields the characteristic of the sought signal: polarization, time delays, etc ... This knowledge allows the construction of a data analysis method which includes the astrophysical priors on joint gravitational wave and gamma-ray emission, and moreover which is robust to non-stationary transient noises, which are present in the data. The lack of detection in the analyzed data yields novel observational limits on the gamma-ray burst population.; Cette thèse présente les résultats de la recherche de signaux impulsionnels d’ondes gravitationnelles associés aux sursauts gamma dans les données 2009-2010 des interféromètres LIGO-Virgo. L’étude approfondie des mécanismesd’émission d’ondes gravitationnelles par les progéniteurs de sursauts gamma, ainsi que des mécanismes d’émission de rayons gamma eux-mêmes, permet de déterminer les caractéristiques essentielles du signal à détecter : polarisation, délai temporel, etc ... Cette connaissance de l’émission conjointe permet alors de construire une méthode d’analyse qui inclut les a priori astrophysiques. Cette méthode est de plus robuste vis-à-vis des bruits transitoires présents dans les données. L’absence de détection nous permet de placer des limites observationnelles inédites sur la population des sursauts gamma.