La physique des particules et l'astrophysique ont largement démontré que la compréhension de notre environnement nécessitait le recours à différentes gammes d'énergie pour sonder l'Univers. L'aspect de la voûte céleste, scrutée depuis la Terre, varie considérablement à mesure que l'on parcourt le spectre électromagnétique. L'enjeu de l'astronomie gamma de très haute énergie est précisément d'étudier les astres les plus violents et les plus mystérieux en détectant les rayonnements de très courte longueur d'onde qu'ils émettent.
Messagers privilégiés, insensibles aux déflexions magnétiques
inter-galactiques, à la différence des autres rayons cosmiques, les photons gamma
conservent leur direction d'émission et permettent l'identification des sources. Les
détecteurs au sol actuellement en fonctionnement sont en mesure, par des techniques
très indirectes, d'aborder des énergies comprises entre 200 GeV et
plusieurs dizaines de TeV. La nébuleuse du Crabe et son pulsar, devenue source de référence, permet
d'étalonner les instruments et autorise l'étude d'objets mal connus avec une
relative confiance. Au premier rang des émetteurs de particules de très hautes
énergies, et donc de photons gammas, se trouvent les noyaux actifs de galaxies.
Demeurant très énigmatiques plusieurs dizaines d'années après leur
découverte, ces astres semblent résister à toute modélisation simple.
Ce mémoire présente l'étude détaillée de l'émission gamma variable
du noyau actif de galaxie Mrk501 et son interprétation en termes astrophysiques
et cosmologiques.
Dans un premier temps, les caractéristiques physiques des noyaux actifs de
galaxies sont passées en revue. Le schéma standard qui semble aujourd'hui
émerger se fonde sur la corrélation des observations obtenues à
différentes longueurs d'onde. La modélisation théorique des processus,
encore très incertaine, se réfère à une accrétion anisotrope par un
trou noir supermassif accompagnée d'une émission très collimatée de jets
relativistes.
La deuxième partie présente un aspect important de ce travail,
consacré à la mise au point technique du détecteur qui a constitué
l'essentiel des recherches menées au cours de la première année de thèse.
Après une description sommaire de l'ensemble des télescopes Tcherenkov utilisés
sur le site de l'expérience CAT, le nouvel
imageur est décrit plus en détail. Le choix et les tests
des photodétecteurs et de l'électronique associée sont
présentés. L'étude complète de la chaîne d'acquisition et de
déclenchement a été menée sur une mini-caméra prototype utilisant les
mêmes composants. Une procédure de suivi et de correction de différents
paramètres ainsi qu'un programme de "pré-analyse" en ligne ont été mis en place.
Le calendrier d'observation peut ainsi être modifié en conséquence.
L'expérience CAT utilise une technique originale de reconstruction de l'énergie et de la direction des gammas qui fait l'objet de la troisième partie. Exploitant la très fine granularité de l'image obtenue, un maximum de vraisemblance permettant une bonne réjection hadronique est utilisé pour mettre en évidence le signal. Le code de simulation Monte-Carlo a été peaufiné et reproduit correctement les données observationnelles. Le spectre de la nébuleuse du Crabe obtenu est en accord avec les autres expériences étudiant la même gamme d'énergie. Ne disposant pas de faisceau test, le détecteur a été étalonné en utilisant les événements communs entre l'imageur et l'échantillonneur présents sur le site. Cette comparaison était entreprise pour la première fois.
La mise en oeuvre et l'amélioration de la méthode d'analyse ainsi développée
pour l'imageur CAT est le centre du travail mené au cours de ces trois années.
La mise en évidence d'un signal très intense et rapidement variable en provenance de Mrk501 est enfin exposée et constitue le résultat de physique principal de cette thèse. L'évolution temporelle et la répartition spectrale de l'émission de ce noyau actif de galaxie sont présentées entre 300 GeV et 10 TeV. Ce phénomène, exceptionnel dans le domaine de l'astronomie gamma de très haute énergie, est particulièrement fécond pour la compréhension théorique des blazars. Les différents modèles fondés sur des jets chauds ou froids, hadroniques ou leptoniques, sont présentés compte tenu de ces mesures.
L'interaction avec le fond diffus infra-rouge, rayonnement largement inconnu, a également été évaluée. Ouvrant une nouvelle voie de cosmologie observationnelle, ce mémoire montre qu'une telle démarche permet aujourd'hui d'atteindre, voire de dépasser, les meilleures contraintes obtenues par les expériences en satellites. L'énergie rayonnée dans l'Univers durant sa phase post-recombinatoire peut ainsi être bornée supérieurement de façon très sévère et toute évolution stellaire à grand décalage spectral, pratiquement éliminée.