Indirect searches of dark matter, and the Galactic Center at very high energy with H.E.S.S. - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2012

Indirect searches of dark matter, and the Galactic Center at very high energy with H.E.S.S.

Recherche indirecte de matière noire, et le Centre Galactique à très haute énergie avec H.E.S.S.

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Abstract

H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) is an array of four identical imaging atmospheric Cherenkov telescopes, designed to observe very high energy gamma-rays (E > 100 GeV). The observation of such gamma-rays plays a crucial role in the understanding of extreme non-thermal phenomena in the Universe. These gamma-rays can be used for instance to search for annihilations of dark matter particles in dense environments of the Universe. This thesis presents a series of data analysis and phenomenological studies on two main subject of the gamma-ray astronomy: the indirect searches of dark matter, and the study of the Galactic Center region. The indirect dark matter searches focus on the study of two classes of targets: dwarf galaxies and galaxy clusters. A detailed study of the H.E.S.S. observations towards the Sculptor and Carina dwarf galaxies, and towards the Fornax galaxy cluster are presented. In the absence of a significant signal coming from these object, constraints on the annihilation cross section of dark matter particle candidates are derived. Particular consideration is given to different processes from particle physics and astrophysics which might give rise to additional contributions to the signal expected from a dark matter particle annihilation, such as the Sommerfeld effect and dark matter halo substructures. The current H.E.S.S. dark matter constraints towards the Sagittarius are updated in light of recent realistic dark matter halo models. A prospect on the sensitivity of the future generation of Cherenkov telescopes, i.e. CTA (Cherenkov Telescope Array), for the detection of a dark matter annihilation signal and conventional gamma-ray emissions are also given. The second subject of this thesis provides a detailed analysis of the VHE gamma-ray data from the Galactic Center region observed by H.E.S.S. This was possible thanks to the deep exposure of this region, achieved by the H.E.S.S. experiment throughout the 2004-2011 period. The analysis and spectral reconstruction of the central source and the diffuse emission around this region are presented. A spectral subtraction of the diffuse emission contribution to the HESS J1745-290 spectral is performed and allows to recover the intrinsic central source spectrum. The spectral morphology of the diffuse emission region suggests the possibility of various accelerators being responsible for the observed emission.
H.E.S.S. est un réseau de quatre imageurs Cherenkov atmosphérique, conçu pour détecter des rayons gamma de très haute énergie (E > 100 GeV). La nouvelle génération de télescopes de rayonnement Cherenkov, notamment le projet CTA (Cherenkov Telescope Array en anglais), permettra un gain en sensibilité d'un facteur dix par rapport aux expériences actuelles, ainsi qu'un élargissement de la gamme énergétique accessible (qui couvrira quatre ordres de grandeur, de la dizaine de GeV à la centaine de TeV). Ces rayons gamma de très haute énergie peuvent être utilisés entre autre pour rechercher l’annihilation de particules de matière noire dans des environnements denses de l’Univers. La dynamique des galaxies naines montrent que ces objets sont des environnements dominées par la matière noire. Plusieurs campagnes d'observation sur des galaxies naines satellites de la Voie lactée ont été lancées par HESS. Une étude détaillée des observations des galaxies naines du Sculptor, Carina et Sagittaire sont présentées. En l'absence de détection des signaux clairs venant de Sculptor et Carina, des contraintes sur la section efficace d’annihilation de particules candidates à expliquer la matière noire ont été calculés dans des différents scénarios de physique des particules. Plusieurs cas de modélisation du profil de densité du halo de matière noire de ces galaxies sont traités. Certains scénarios impliquant des amplifications du signal en rayons gammas, soit d'origine de physique de particule, comme l'effet Sommerfeld, le deuxième par le Bremsstrahlung interne, soit d'origines astrophysiques, comme la contribution des sous-halos de matière noire au signal total. En suite le cas de la galaxie naine sphéroïdal du Sagittaire est particulièrement étudié et une révision de la modélisation du halo de Sagittaire par H.E.S.S. a été effectuée. Une nouvelle méthode d’extraction du profil de densité de matière noire est présentée et appliqué au cas de Sagittaire. Cette méthode est basée sur la modélisation des bras d’étoiles formés par l’effet de marée de la Voie-Lactée sur la galaxie du Sagittaire. Outre les galaxies naines sphéroïdales, des amas des galaxies sont des objets astrophysiques extrêmement dominées gravitationnellement par la matière noire. Malgré le fait que les amas de galaxies sont situés à des distances beaucoup plus lointaines que les galaxies naines, leur très forte luminosité d’annihilation de matière noire a été prédite suffisante pour qu’un signal gamma soit détectable avec les télescopes actuels. Les observations de l’amas de galaxies de Fornax sont présentées. L’analyse a été effectué avec plusieurs angles ouvertures pour l’intégration du signal, des angles d’ouverture jusqu’à 1° de rayon ont été utilisés. L’avantage étant de pouvoir inclure l’effet des sous-structures de matière noire, dans la forme de sous-halos prédit par les simulations à N-corps, dans le calcul des contraintes sur l’annihilation de matière noire. Divers effets secondaires à l’annihilation des particules de matière noire, liées à l’accélération et propagation des particules produites lors de l’annihilation primaire sont étudiés. Enfin une étude détaillée de la région du Centre Galactique en rayon gamma est effectué. Ceci étant possible grâce à la profonde exposition en temps sur cette région, obtenue par H .E.S.S. tout au long des dernières années. L’évolution temporelle et spatiale de plusieurs caractéristiques spectrales de la source centrale et de l’émission diffuse dans cette région est présentée. A partir de cette étude, la soustraction de la contamination spectrale de l’émission diffuse dans le spectre de HESS J1745-290 permet de retrouver le « vrai » spectre de la source centrale. L’analyse de l’évolution spatiale du spectre dans la région d’émission diffuse révèle finalement une tendance très claire lorsque nous nous éloignons de la source centrale. L’étude de cette tendance permet de contraindre les modèles d’accélération et propagation des rayons cosmiques responsables de l’émission diffuse.
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Dates and versions

tel-01107935 , version 1 (21-01-2015)

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  • HAL Id : tel-01107935 , version 1

Cite

Aion Viana. Indirect searches of dark matter, and the Galactic Center at very high energy with H.E.S.S.. High Energy Astrophysical Phenomena [astro-ph.HE]. Univeristé Paris Diderot Paris 7, 2012. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01107935⟩

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