Observations du centre galactique et recherche de signaux exotiques avec H. E. S. S.

Observations of the galactic center region and searches for exotic signals with H. E. S. S.

• Auteur / Autrice : Matthieu Vivier
• Direction : Jean-François Glicenstein
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Champs, particules, matière
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Centre galactique

Matière noire (astronomie)

Trous noirs (astronomie)

Astronomie gamma

Mots clés libres

Trous noirs primordiaux

Résumé

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.

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.