Emission aux hautes énergies des noyaux actifs de galaxie

Ce manuscrit résume les travaux effectués pendant les trois années de thèse doctorale au sein du LUTh (Laboratoire Univers et Théories) et de la collaboration H.E.S.S. Le projet de recherche a été l'étude de l'émission aux hautes énergies (rayons X et rayons y) des Noyaux Actifs de Galaxies (NAG), et a comporté deux parties distinctes: d'un côté l'étude de l'émission en rayons X des galaxies de Seyfert 1 (en s'intéressant particulièrement au problème de l'excès de rayons X-mous, ou soft-excess), et d'un autre côté l'étude de l'émission en rayons y des blazars, en utilisant en particulier les données du réseau de télescopes de type Cherenkov (pour l'observation de photons aux energies de l'ordre du TeV) H.E.S.S. Après une courte Introduction sur les NAG et l'astronomie au TeV, nous décrivons tout d'abord l'émission aux rayons X des galaxies de Seyfert (Chapitre 1). Ce Chapitre est une introduction à l'étude détaillée de l'émission en rayons X de deux galaxies de Seyfert 1, Mrk 509 et Mrk 841, presentée dans le Chapitre 2. Une caractéristique importante de l'émission X de ce type de NAG est le soft-excess, qui ap- paraît comme un excès de flux au-dessous de environ 1 keV par rapport à l'extrapolation à basse énergie de la loi de puissance ajustée entre 3-10 keV. Dans ce Chapitre, nous nous concentrons en particulier sur l'interprétation de cette émission, en ajustan les données Suzaku avec trois modèles différents: une double Comptonisation, une réflexion sur la partie la plus interne du disque d'accrétion, et une absorption par un vent relativiste. Alors que pour Mrk 841 les trois scénarios donnent des résultats statistiquement équivalents, pour Mrk 509 le scénario avec reflexion est exclu. La deuxième partie commence par une introduction générale sur les blazars (Chapitre 3), avant de présenter le réseau de télescope H.E.S.S., ainsi qu'une revue des NAG observés au TeV (Chapter 4). Nous présentons ensuite l'étude spécifique du blazar émetteur au TeV 1RXS 3101015.9 - 311909 (Chapitre 5): l'analyse des observations effectuées par H.E.S.S. et par d'autres observatoires dans l'optique, en rayons-X et rayons-y (ATOM, Swift et Fermi) nous permet de construire la distribution spectrale d'énergie de la source. L'émission de 1RXS 3101015.9 - 311909 est modélisée dans le cadre d'un modèle lep- tonique, de type synchrotron self-Compton (SSC).Les Chapitres suivants sont plus théoriques, et traitent de la modélisation de l'émission des blazars. Les modèles developpés dans la littérature scientifique peuvent être divisés en deux familles: leptoniques et hadroniques, selon que les particules responsables de l'émission soient des paires electrons/positrons ou des protons, respectivement. Concernant les modèles leptoniques, nous avons developpé un nouvel algorithme numérique pour la détermination des paramètres du modèle d'émission de type SSC (Chapter 6). Cette méthode, appliquée comme exemple au cas spécifique de 1RXS 3101015.9 - 311909, montre que, pour un blazar de type HBL (high-frequency-peaked BL Lac object), émetteur au GeV et au TeV, l'espace des paramètres du modèle SSC peut être bien determiné, et améliore les contraintes obtenues avec des formules analytiques. Nous pouvons aussi utiliser, sous certaines hypothèses, cet algorithme pour contraindre la distance d'un HBL dont on ne tonnait pas le redshift (application au cas de PKS 0447- 439). Dans le Chapitre 7 nous nous concentrons sur les processus d'émission de type hadronique, en de- crivant le développement d'un nouveau code stationnaire lepto-hadronique (qui prend en compte à la fois les processus leptonique et hadronique), et nous présentons une première application à Mrk 421 et à PKS 2155-304. Le code nous permet de modéliser l'émission des blazars dans un scenario soit lep- tonique soit hadronique, en changeant les paramètres de la région émettrice et des particules présentes. Des scenarios mixtes lepto-hadroniques (dans lesquels l'émission aux hautes énergies est associée aux deux composantes) peuvent être également étudiés dans ce contexte. Nous terminons, dans le Chapitre 8, avec la modélisation de 3C 454.3, un blazar de type FSRQ (flat- spectrum-radio-quasar), dont le spectre au GeV est décrit par un processus de type inverse Compton sur les photons produits dans la Broad-Line-Region. Les observations conjointes du téléscope Fermi (au GeV) et des télescopes Cherenkov au sol (au TeV, comme H.E.S.S., MAGIC, VERITAS), ont permit d'observer la composante en rayons-y des blazars avec une très bonne résolution en énergie. Le nouveau téléscope H.E.S.S. II (dont la prémière lumière a été obtenue pendant l'été 2012) va pouvoir améliorer notre connaissance des blazars, en permettant de baisser le seuil d'observation en énergie et donc d'étudier la partie du spectre compris entre Fermi et les télescopes de type Cherenkov. La communauté de l'astronomie au TeV développe actuellement le réseau de nouvelle génération, CTA (Cherenkov Telescope Array). Le projet est dans sa phase préparatoire, et !es premiers prototypes sont en construction (comme par exemple le télescope SST-GATE, sur le site de l'Observatoire de Meudon). Dans ce contexte, en appendix A est présentée une perspective de détection par CTA de blazars au grand redshift.. In this thesis manuscript we tried to summarize the research work done during the last three years in the high-energy group of the LUTh laboratory, as well as in the H.E.S.S. collaboration. The project deals with the study of high-energy emission from active galactic nuclei (AGN), where, whith high energy, we refer here to X and y-rays. The thesis covers in fact two différent aspects of the physics of AGN, firstly the study of the X-ray emission from Seyfert galaxies (radio-quiet AGN), and then of the y-ray emission from blazars (radio-loud AGN).We start then by providing a short introduction to the scientific context of AGN physics (by present- ing the unified AGN model), as well as of TeV astronomy. In the first part we first describe the problem of the soft-X-ray excess in Seyfert galaxies (Chapter 1), before entering in the details of the study of Suzaku observations of two particular objects (Mrk 509 and Mrk 841, Chapter 2), presenting the data analysis and their modelling. The second part starts with an introduction on the blazar physics (Chapter 3), before showing the results achieved by the H.E.S.S. telescope array on AGN (Chapter 4). A detailed study has been done on a particular blazar detected at TeV energies (1RXS J101015.9 - 311909), and is presented in Chapter 5. The following chapters are more theoretical, and discuss the modelling of the observed blazar emis- sion. In particular, in Chapter 6 we discuss the constrains on the synchrotron-self-Compton model, presenting a new numerical algorithm to determine the best-fit solution, while in Chapter 7 we present a new stationary lepto-hadronic code, which can be used to model the blazar emission in leptonic, hadronic and mixed scenarios.In Chapter 8 we present the problem of the spectral break observed in the GeV spectrum of 3C 454.3, and we model it consistently in an external-inverse-Compton scenario.Finally we present a perspective for the detection of high-redshift sources with the future telescope CTA (Appendix A).PARIS7-Bibliothèque centrale (751132105) / SudocSudocFranceF