Caractérisation de la transparence de l'univers aux rayons gamma de très haute énergie avec H.E.S.S. et aspects associés en physique fondamentale et cosmologie

par Matthias Lorentz

Thèse de doctorat en Astroparticules et cosmologie

Sous la direction de Pierre Brun.

Le président du jury était Hervé Dole.

Le jury était composé de Pierre Brun, Hervé Dole, Benoît Lott, Jürgen Knödlseder, Jean-Philippe Uzan, Gautier Hamel de Monchenault.

Les rapporteurs étaient Benoît Lott, Jürgen Knödlseder.


  • Résumé

    La propagation des rayons Ɣ de très haute énergie (E > 100GeV) dans l'univers est affectée par les propriétés du milieu extragalactique. Ces photons à l'échelle du TeV, issus des processus d'accélération de particules dans les noyaux actifs de galaxies, peuvent en effet interagir avec des photons du fond optique et infrarouge qui baignent l'univers et produire des paires d'électrons et de positrons. Ce processus réduit la transparence de l'univers aux rayons Ɣ de très haute énergie mais permet en revanche de sonder les propriétés du milieu extragalactique de façon unique. Dans cette thèse, les données prises par le réseau de télescopes à imagerie Tcherenkov atmosphérique H.E.S.S. sont analysées et utilisées afin de caractériser la transparence de l'univers aux rayons Ɣ de très haute énergie. Une mesure indépendante de la distribution spectrale en énergie du fond cosmologique optique et infrarouge est réalisée à travers l'ajustement des modulations observées dans les spectres en énergie obtenus avec H.E.S.S. pour un échantillon de noyaux actifs de galaxies brillants dans une gamme en redshift 0.03 < z < 0.28. Les résultats obtenus sont compatibles avec les limites inférieures dérivées par comptages de galaxies et ne suggèrent pas d'anomalie de la transparence de l'univers aux rayons Ɣ vis à vis des modèles actuels du fond de lumière extragalactique. Des processus de second ordre affectant la propagation des rayons Ɣ de très haute énergie sont également explorés. Des limites sur une brisure de la symétrie de Lorentz à l'échelle de Planck sont obtenues à partir de l'analyse spectrale du noyau actif Mrk 501 observé dans un état de flux exceptionnel par H.E.S.S. en 2014, à grand angle zénithal. Enfin, des contraintes sur le champ magnétique extragalactique sont dérivées en considérant l'émission Ɣ secondaire attendue à partir de simulations des cascades électromagnétiques initiées lors du processus d'absorption pour le noyau actif distant PG 1553+113 vu par H.E.S.S. et le télescope spatial Fermi. Cette thèse a également été l'occasion d'une participation aux développements de certains aspects de la calibration et de l'analyse des données de H.E.S.S.

  • Titre traduit

    Characterisation of the transparency of the universe to very-high-energy gamma rays with H.E.S.S. and related aspects in fundamental physics and cosmology


  • Résumé

    The propagation of very high energy Ɣ rays in the universe depends on the properties of the extragalactic medium. Such TeV-scale photons travelling cosmological distances are -emitted through particle acceleration mechanisms in active galaxy nuclei- can interact with the low-energy photons of the extragalactic background light (EBL) and produce electron-positron pairs. This effect reduces the transparency of the universe to very high energy Ɣ rays but it also provides a unique opportunity to probe the properties of the extragalactic medium. In this thesis, data taken with the H.E.S.S. array of Cherenkov telescopes are analyzed and used to characterize the transparency of the universe to very high energy Ɣ rays. A independent measurement of the spectral energy distribution of the EBL with H.E.S.S. is presented. It is obtained by extracting the EBL absorption signal from the fit of spectral modulations in the high-quality spectra of a sample of bright blazars in the redshift range 0.03 < z < 0.28. The intensity of the EBL obtained in different spectral bands is presented together with the associated Ɣ-ray horizon. The obtained results are consistent with lower limits derived from galaxy counts and do not suggest an anomaly of the transparency of the universe to Ɣ rays with respect to current models of the extragalactic background light. Second-order processes affecting the propagation of very high energy Ɣ rays in the universe are also considered. Limits on Lorentz invariance violation at Planck scale are obtained from the spectral analysis of the active galaxy nucleus Mrk 501 observed during a high-flux state by H.E.S.S. in 2014, at large zenith angle. Finally, constraints on the extragalactic magnetic field properties are derived by considering the secondary Ɣ-ray emission expected from the simulation of electromagnetic cascades initiated by the absorption process for the distant active galaxy nucleus PG 1553+113 seen by H.E.S.S. and the Fermi Ɣ-ray space telescope. In this thesis some developments related to the calibration and analysis of H.E.S.S. data are also presented.


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