Caractérisation de l'émission X des noyaux actifs de galaxies et connexions multi-messagers

Characterization of the X-ray emission of active galactic nuclei and multi-messenger connections.

• Auteur / Autrice : Antoine Foisseau
• Direction : Andrea Goldwurm
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'univers
• Date : Soutenance le 17/11/2025
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AstroParticule et Cosmologie (Paris ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Matthias González
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maïca Clavel, Jean-Philippe Lenain
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre-Olivier Petrucci, Elisabeth Jourdain
• DOI : 10.70675/afad5fc0z3685z4803zbaefz26343cc4f3c3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Noyaux actifs de galaxies

Trous noirs (astronomie)

Neutrinos

Rayons X

Télescope spatial SVOM

Mots clés libres

Noyaux actifs de galaxie

Trou noir

Couronne

Rayons X

Neutrinos

Svom

Integral

Acceleration

Particules

Active galactic nuclei

Black hole

Corona

X-Rays

Neutrinos

Svom

Integral

Acceleration

Particles

Résumé

Les noyaux actifs de galaxies (NAG) comptent parmi les objets les plus énergétiques et complexes de l'univers. Leur nature, longtemps mal comprise, a été clarifiée dans les années 1970-1980 avec l'émergence du modèle unifié. Selon ce modèle, un trou noir supermassif, entouré d'un disque d'accrétion et d'une couronne d'électrons chauds, constitue le moteur central des NAG. L'ensemble est enveloppé d'un tore de poussière pouvant masquer la région centrale selon l'angle de vue. Des nuages de gaz plus éloignés forment des régions à raies larges (BLR) et étroites (NLR), tandis que certains NAG émettent également des jets relativistes, visibles sur l'ensemble du spectre électromagnétique. Au-delà de leur diversité, les NAG sont au cœur de nombreuses questions astrophysiques, notamment leur rôle dans l'évolution des galaxies et leur potentiel en tant que sources accélératrices de rayons cosmiques de haute énergie. Ces derniers, déviés par les champs magnétiques, rendent difficile l'identification de leur source d'origine. Toutefois, les interactions des rayons cosmiques avec leur environnement produisent des neutrinos de haute énergie, qui, étant neutres, pourraient permettre d'identifier leurs sources. Dans ce contexte, l'observatoire IceCube détecte depuis une quinzaine d'années des neutrinos, confirmant leur origine astrophysique et identifiant certains NAG comme sources potentielles, notamment NGC 1068 et TXS 0506+056. Cela souligne l'importance de croiser observations de neutrinos et données électromagnétiques afin de mieux comprendre les mécanismes d'accélération des particules. Dans cette thèse, j'ai étudié l'émission en rayons X de NGC 1068, en utilisant les données de plusieurs satellites (NuSTAR et XMM-Newton) et incluant pour la première fois les données INTEGRAL et Swift/BAT. Mon objectif était de rechercher des signatures d'une éventuelle émission hadronique qui permettrait de confirmer de manière indépendante son existence et de contraindre le mécanisme d'accélération des rayons cosmiques. Les résultats montrent que le spectre est dominé par la réflexion de l'émission de la couronne sur deux types de matériels : l'un ionisé et l'autre neutre. Cette émission est complétée par une émission directe de la couronne sur la ligne de visée, qui, avec la prise en compte des données au delà de 80 keV, semble plus faible en compararaison des études précédentes. Enfin, l'absence d'excès significatif jusqu'à 195 keV, ne permet pas de mettre en évidence la présence d'une contribution significative à haute énergie (potentiellement issue de l'émission hadronique) sans pour autant l'exclure. Une partie importante de mon travail a également porté sur la mission SVOM. J'ai développé un code d'automatisation pour le suivi des alertes neutrinos, testé et validé sur l'étude de l'événement KM3-230213A. Cet événement est la première détection d'un neutrino de ultra haute énergie. Mon code a permis à SVOM de participer à la campagne de suivi électromagnétique; campagne se focalisant sur des blazars comme possible origine de ce neutrino. L'analyse des données SVOM que j'ai effectuée, combinée à celle des autres missions, montre l'absence d'une association statistiquement significative. J'ai aussi contribué à la sélection de cibles pour les observations pointées de SVOM, en identifiant des NAG susceptibles d'être des sources multi-messagers. Enfin, j'ai participé au commissioning du télescope ECLAIRs, en réalisant des tests scientifiques du pipeline d'analyse et en fournissant une première estimation de la précision de localisation des sources. Par ailleurs, j'ai analysé les observations du blazar 1ES 1959+650 réalisées par SVOM et Swift lors d'un épisode de flare détecté en décembre 2024. Cette étude marque la première couverture d'une phase d'outburst de blazar par SVOM. Elle révèle l'absence de signatures claires d'un scénario d'accélération de type Fermi I ou II, suggérant un mécanisme mixte combinant ces deux processus.

Active Galactic Nuclei (AGN) are among the most energetic and complex objects in the universe. Their nature, longly misunderstood, was clarified in the 1970s and 1980s with the emergence of the unified model. According to this model, a supermassive black hole, surrounded by an accretion disk and a corona of hot electrons, constitutes the central engine of AGN. The entire system is enveloped by a dusty torus, which can obscure the central region depending on the viewing angle. Further out, clouds of gas form the broad-line region (BLR) and narrow-line region (NLR), while some AGN also emit relativistic jets, visible across the entire electromagnetic spectrum. Beyond their diversity, AGN lie at the heart of many astrophysical questions, particularly regarding their role in galaxy evolution and their potential as accelerators of high-energy cosmic rays. These cosmic rays are deflected by magnetic fields, making it difficult to identify their origin. However, interactions between cosmic rays and their environment produce high-energy neutrinos, which, being neutral, can potentially be traced back to their sources. In this context, the IceCube Observatory has been detecting neutrinos for about fifteen years, confirming their astrophysical origin and identifying some AGN as potential sources, notably NGC 1068 and TXS 0506+056. This highlights the importance of combining neutrino observations with electromagnetic data to better understand particle acceleration mechanisms. In this thesis, I studied the X-ray emission of NGC 1068 using data from multiple satellites (NuSTAR and XMM-Newton), including, for the first time, data from INTEGRAL and Swift/BAT. My goal was to search for signatures of potential hadronic emission, which could independently confirm its existence and constrain the cosmic ray acceleration mechanism. The results show that the spectrum is dominated by reflection of the corona's emission on two types of material: one ionized and the other neutral. This emission is complemented by a direct view of the corona along the line of sight, which, when considering data above 80 keV, appears weaker than in previous studies. Finally, the absence of a significant excess up to 195 keV does not reveal a notable high-energy contribution (potentially from hadronic emission), though such a contribution cannot be completely excluded. An important part of my work also focused on the SVOM mission. I developed an automated pipeline for neutrino alert follow-up, tested and validated on the study of the event KM3-230213A. This event represents the first detection of an ultra-high-energy neutrino. My pipeline enabled SVOM to participate in the electromagnetic follow-up campaign, which focused on blazars as potential sources of the neutrino. The analysis I performed on SVOM data, combined with data from other missions, shows no statistically significant association. I also contributed to target selection for SVOM pointed observations, identifying AGN likely to be multi-messenger sources. Lastly, I participated in the commissioning of the ECLAIRs telescope, performing scientific tests of the analysis pipeline and providing a first estimate of the source localization accuracy. Finally, I analyzed observations of the blazar 1ES 1959+650 conducted by SVOM and Swift during a flare detected in December 2024. This study marks the first coverage of a blazar outburst phase by SVOM. It reveals no clear signatures of a pure Fermi-I or Fermi-II acceleration scenario, suggesting a mixed mechanism combining both processes.