Active galactic nuclei population study at TeV with the H.E.S.S. telescopes and variability studies of the blazar PKS 2155-304 with SSC modelling

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