Exploring active galactic nuclei at extreme energies : analysis and modeling of multi-wavelength flares and preparation of CTA

Exploration des noyaux actifs de galaxies aux énergies extrêmes : analyse et modélisation des sursauts multi-longueurs d’onde et préparation du CTA De nombreuses questions liées à la physique des jets des Noyaux Actifs de Galaxies restent ouvertes. Une classe particulière d’AGN, les blazars, a un jet pointant vers la Terre. Une telle orientation du jet nous permet de sonder une riche variété de phénomènes physiques mal compris sur les écoulements relativistes. Les blazars montrent une émission non thermique, provenant du jet, qui est très variable sur tout le spectre électromagnétique, des radiofréquences aux rayons gamma du TeV. Le flux d’énergie peut augmenter d’un ordre de grandeur sur des échelles de temps aussi courtes que quelques minutes, un phénomène appelé “sursaut” (flare), et aussi longues que des mois ou même des années. Malgré la quantité croissante de données disponibles sur plusieurs longueurs d’onde (multi-wavelength, MWL), l’origine et les mécanismes physiques derrière les sursauts fréquemment observés dans les blazars ne sont toujours pas bien compris. De nombreuses tentatives ont été faites pour décrire les flares avec différents modèles d’émission, mais les propriétés détaillées de l’évolution temporelle des flux dans différentes bandes spectrales restent difficiles à reproduire. Afin d’identifier les processus physiques impliqués lors des sursauts de blazars, j’ai développé un code radiatif polyvalent, basé sur un traitement dépendant du temps de l’accélération des particules, de l’échappement et du refroidissement radiatif. Le code calcule l’évolution dans le temps de la fonction de distribution des électrons dans la zone d’émission du blazar et le spectre de l’émission Synchrotron Self-Compton (SSC) par ces électrons. J’ai appliqué le code à un sursaut multi-lambda géant du blazar Mrk 421, représentant de la classe des BL Lacertae, qui est le sursaut le plus brillant détecté jusqu’ici en provenance de cette source. Dans notre approche, nous considérons le sursaut comme une perturbation modérée de l’état de flux stationnaire et recherchons des interprétations avec un nombre minimum de paramètres libres. En conséquence, j’ai développé un nouveau scénario physique de l’activité observé pendant le sursaut, qui décrit l’ensemble des données, comprenant des spectres à l’état haut de la source dans différentes gammes d’énergie, et des courbes de lumière multi-lambda du domaine optique aux rayons gamma VHE. Dans ce scénario, le processus déclenchant le sursaut est l’accélération des particules par un processus de type Fermi du second ordre, dû à la turbulence qui emerge au voisinage de la région d’émission stationnaire du blazar. Dans cette thèse, j’ai également effectué une analyse des données du High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) de deux sursauts géants du blazar 3C 279, représentant de la classe des Flat Spectrum Radio Quasars (FSRQ). Enfin, j’ai contribué à la préparation du Cherenkov Telescope Array (CTA), qui est un observatoire de rayons gamma au sol de nouvelle génération, dont l’entrée en service est prévue à partir de 2022. L’instrument, qui est actuellement en cours de développement, aura des performances considérablement améliorées par rapport aux Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (IACTs) qui sont actuellement en fonctionnement, y compris une couverture spectrale sans précédent de quelques dizaines de GeV à ~300 TeV. Dans le cadre du CTA, j’ai effectué des simulations de performances optiques du Gamma-Ray Cherenkov Telescope (GCT), l’un des trois modèles proposés de télescopes de petite taille (SST) pour CTA. De plus, en utilisant les observations d’étoiles brillantes effectuées par le prototype de télescope installé sur le site de l’Observatoire de Paris à Meudon, j’ai étudié l’effet de la micro-rugosité des miroirs du télescope sur la fonction d’étalement du point (PSF) et calculé le niveau de qualité de polissage des miroirs requis pour optimiser les performances.