Unveiling Galactic cosmic-ray accelerators with gamma-ray observations: their relation to supernova remnants

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