Note publique d'information : L’astronomie gamma des très hautes énergies a pour but d’étudier l’origine du rayonnement
cosmique. Cette nouvelle discipline, née il y a une trentaine d’années, sonde les
mécanismes d’accélération des particules chargées dans divers objets astrophysiques
(pulsars, trous noirs, reste de supernovae…) via leur émission gamma . L’astronomie
gamma est aussi un formidable moyen pour la recherche de phénomènes exotiques et de
nouvelle physique. Cette thèse se penche sur trois sujets de physique fondamentale
qui peuvent être étudiés des très hautes énergies : l’accélération des particules
chargée au voisinage d’un trou noir supermassif, l’évaporation de trous noirs primordiaux,
et enfin la recherche indirecte de matière noire. Le support commun à toutes ces études
est l’analyse des données récoltées par l’expérience HESS (High Energy Stereoscopic
System) qui observe le ciel dans le domaine des photons gamma d’énergie supérieure
à 100 GeV. Cette thèse présente tout d’abord les aspects et les enjeux de l’astronomie
gamma des très hautes énergies ainsi que le fonctionnement du détecteur HESS. Les
méthodes d’analyse utilisées dans la suite pour interpréter les données sont aussi
détaillées. Un premier sujet lié à l’astrophysique des trous noirs est abordé dans
cette thèse, et concerne les observations par HESS de la région du Centre Galactique.
Les observations menées depuis 2004 ont mis en évidence une émission gamma dont l’origine
reste inconnue. Le spectre et la variabilité de la source gamma sont étudiés en détails
pour essayer d’interpréter le signal gamma en terme d’accélération de particules au
voisinage de Sgr A*, le trou noir supermassif situé au centre dynamique de la Voie
Lactée. L’ensemble des données récoltées par HESS est ensuite utilisé pour la recherche
de sursauts de photons gamma signant l’évaporation de trous noirs primordiaux. Les
trous noirs primordiaux sont des objets exotiques qui peuvent avoir été créés lors
des tous premiers instants de l’Univers. L’émission gamma au Centre Galactique empêche
la détection d’un éventuel signal de matière noire. A l’instar du Centre Galactique,
les galaxies naines sphéroïdales du groupe local sont des objets dépourvus de fond
astrophysique et sont donc des cibles intéressantes. Dans la dernière partie de cette
thèse, une présentation synthétique de nos connaissances actuelles sur les propriétés
de la matière noire est faite. Les données prises par HESS en direction de la galaxie
naine Canis Major du Sagittaire, sont alors interprétées en terme d’annihilation de
matière noire pour dériver des contraintes sur des modèles de physique des particules
susceptibles de décrire ses propriétés.
Note publique d'information : Very high gamma-ray astronomy is a new and young physics field which aims to study
the origin of cosmic rays and their acceleration process inside various astrophysical
objects such as pulsars, black holes or supernovae remnants. This is also a promising
way to search for exotic high energy phenomena and unknown physics. This dissertation
deals with three fundamental physics topics closely connected to very high energy
gamma-ray astronomy : particle acceleration in the vicinity of a supermassive black
hole, primordial black holes evaporation, and indirect searches for dark matter. Each
of these topics studied with data collected by the HESS (High Energy Stereoscopic
System ) instrument, an imaging Cherenkov array dedicated for the detection of very
gamma-rays above 100 GeV. In the first part of the dissertation, we present a rapid
overview of the field of very high energy gamma-ray astronomy. A precise description
of the HESS detector is then given as well as the data analysis techniques used to
derive the results that are subsequently presented. The first subject is related
to black hole astrophysics and concerns observations of the Galactic Center region
with H.E.S.S. The source of the gamma-ray emission discovered in 2004 toward this
region is unindentified. A precise determination of the source energy spectrum and
variability with new data is reported here. Results are then compared with models
of particle acceleration in the vicinity of Sgr A*, the supermassive black hole located
at the dynamical center of the galaxy. In a second subject, the whole data collected
with the H.E.S.S. are used to search for the signature of primordial black hole evaporation
through their emission of burst of gamma-rays. Primordial black holes are exotic objects
the might have formed in the early stages of the Universe. As the bulk of the gamma-ray
emission is likely to originate from a standard astrophysical mechanism, the Galactic
Center is not an ideal searches, because they are dominated by dark matter and they
are devoid of any astrophysical emission. In the last part of this dissertation we
first give an overview of our current knowledge about the dark matter properties.
The next chapters are then devoted to the H.E.S.S. observations of the Canis Major
and Sagittarius dwarf sphreroidal galaxies. The data analysis are used to constrain
some dark matter models.
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