Dissertations / Theses on the topic 'BL Lacertae objects'

The investigation of the host galaxies of BL Lac objects (BL Lacs) is a promising new field made practical in recent years by advances in detector technology and improved telescope siting. By better understanding the nature of these host galaxies we can test the standard beaming and lensing models for BL Lacs. This thesis describes the techniques that we have developed for studying the host galaxies of BL Lac objects, and presents the results of a survey of BL Lac host galaxies that we have undertaken with the 4.2m William Herschel Telescope. This survey successfully resolved many new host galaxies, determined the morphology of three BL Lac host galaxies for the first time, and confirmed the morphology of an additional three objects. One BL Lac object, PKS1413+135, displayed a number of surprising properties, and was consequently studied in greater detail at multiple wavelengths. These observations are also presented in this thesis. We conclude with a description of Monte-Carlo simulations that we have undertaken in order to better determine the uncertainty in the results from our survey, and to assess the promise of future telescope/instrumentation combinations for host galaxy imaging.

We have used the optical polarization properties of BL Lacertae objects to gain insights into the range and physical causes of their extreme and spectacular observed properties. This dissertation consists of three parts. In Part I we provide an introduction to BL Lacs and other active galactic nuclei. In Part II we present the result of an extensive monitoring program of the optical polarization of x-ray selected BL Lacs (XSBLs). In Part III we present the results of the most extensive optical polarization survey so far undertaken. Our study of the optical polarization properties of XSBLs confirms that the BL Lac candidates found in x-ray surveys like the Einstein Extended Medium Sensitivity Survey meet the requirements for membership in the class of BL Lacs. In addition to having featureless optical spectra, the majority of the XSBLs are also variable in their flux output and have intrinsic and variable polarized emission. Although x-ray selected BL Lac candidates have proven to be BL Lacs, the characteristics of their optical polarized emission are different from those of the classical radio selected BL Lacs. The XSBLs have lower maximum percent polarizations, a lower duty cycle, smaller variations in flux, and a greater tendency to have preferred angles of polarization than radio selected BL Lacs (RSBLs). We discuss the consequences of these differences and their consistency with the "beaming" model first proposed by Blandford and Rees (1978). Our optical polarization survey is the most extensive survey of its kind ever undertaken. The survey is complete to a B magnitude of 20 and covers 560 square degrees. Our sensitivity to polarized objects is a function of survey field. We did not find any confirmed BL Lacs or highly polarized quasars, but we are able to constrain the surface density of the various populations of polarized objects. For example we are able to rule out at the 90.0% confidence level the presence of a population of radio quiet BL Lacs or highly polarized quasars (with optical flux and polarization properties similar to radio selected BL Lacs) that would have a cumulative surface density of 0.03 per square degree down to a B magnitude of 20.

This thesis is an analysis of the X-ray, optical, infrared and radio properties of a sample of candidate BL Lac objects, identified from two catalogues of colour-selected point sources, the 2QZ and 6QZ. The importance of the sample lies in the fact that it is the first BL Lac sample in which initial selection has been made from optical spectra, independent of the objects' flux levels at X-ray and radio frequencies. These optically selected candidate BL Lac objects thus provide an unbiased sample (in terms of radio flux density) with which to study the proportion of radio- dominant and X-ray-dominant BL Lac objects in the global population. The observed number counts and redshift distribution of the 2BL are consistent with theoretical predictions based on the QSO evolutionary model. Given the small number statistics we are not, however, able to show that this distribution is significantly different to that of the 2QZ/6QZ white dwarfs. A median redshift of z=1.25 was computed for these candidate BL Lacs, a value supported by redshift information obtained for ~25% of the sample. This median redshift is much higher than redshifts found for X-ray selected BL Lac objects and suggests that in the past high redshift, low luminosity, radio-weak BL Lacs may have been missed in radio- and X-ray-selected samples. From results of the above studies it appears that this sample of optically selected candidate BL Lac objects is different to that of hitherto known radio-loud BL Lacs. We explore mechanisms that might produce such radio-weak/radio-quiet continuum objects, and also demonstrate that such radio-quiet BL Lac objects could exist at low redshift. Failure to include these radio-quiet BL Lacs in X-ray selected samples could explain the negative evolution found for this class of object.

We present the results from EXOSAT and IUE observations of five BL Lac type objects, Mrk 421, Mrk 501, 1218+304, Mrk 180 and 0414+009. We find that at least for the relatively well studied sources Mrk 421 and Mrk 501, the behaviour in the X-ray and ultra-violet differs significantly. In the majority of cases, the X-ray spectra are well represented by a simple power-law model over the 1-6 keV band. In the case of the high state observations of Mrk 421, however, a marked downward curvature of the spectrum is required above ~3 keV, which can be modelled as an exponential decrease. Similar convex spectra are also suggested, although not statistically required, in a number of other cases. We found no evidence in any of the observations for a hardening of the X-ray spectra above a few keV as has been previously reported. In all cases we find low energy cut-offs in the X-ray spectra consistent with absorption in the line-of-sight gas column density through out own galaxy implying that the intrinsic column density of cold gas in these objects is small (< 1 X 1020 cm-2). All five sources exhibit significant X-ray variability with minimum variability timescales in the range ~3 hr to ~7 days. Furthermore, the X-ray flux and spectral index for each object appears to be correlated in the sense that the X-ray spectrum hardens as the source brightens. In contrast, the ultra-violet spectra are generally consistent with a simple power-law of index ~1, and exhibit only slow drifts in flux on a timescale ~weeks. The ultra-violet to X-ray continuum can therefore be modelled as a power-law of index ~1 below about 0.1 keV, above which the source steepens. The spectral variability in the X-ray band can then be described in terms of a 'pivoting' of the high-energy continuum about the break-point. We have investigated two specific SSC models for the continuum emission. It was found that whilst a simplistic homogeneous disk-shaped emission region can provide an acceptable explanation of single epoch snap-shots of the multi-waveband spectrum, it experiences some difficulty accounting for the high energy spectral variability. In contrast, by allowing a variable radial dependence in the upper cut-off in the synchrotron emitting electron population in an inhomogeneous relativistic jet model, we have demonstrated that the multi-waveband spectrum of the most demanding source, Mrk 421, at all epochs can be reproduced. Thus we conclude that a jet model, broadly following the current paradigm for BL Lac type objects can give an acceptable explanation of present multi-waveband measurements.

This thesis is an analysis of the X-ray, optical, infrared and radio properties of a sample of candidate BL Lac objects, identified from two catalogues of colour-selected point sources, the 2QZ and 6QZ. The importance of the sample lies in the fact that it is the first BL Lac sample in which initial selection has been made from optical spectra, independent of the objects' flux levels at X-ray and radio frequencies. These optically selected candidate BL Lac objects thus provide an unbiased sample (in terms of radio flux density) with which to study the proportion of radio- dominant and X-ray-dominant BL Lac objects in the global population. The observed number counts and redshift distribution of the 2BL are consistent with theoretical predictions based on the QSO evolutionary model. Given the small number statistics we are not, however, able to show that this distribution is significantly different to that of the 2QZ/6QZ white dwarfs. A median redshift of z=1.25 was computed for these candidate BL Lacs, a value supported by redshift information obtained for ~25% of the sample. This median redshift is much higher than redshifts found for X-ray selected BL Lac objects and suggests that in the past high redshift, low luminosity, radio-weak BL Lacs may have been missed in radio- and X-ray-selected samples. From results of the above studies it appears that this sample of optically selected candidate BL Lac objects is different to that of hitherto known radio-loud BL Lacs. We explore mechanisms that might produce such radio-weak/radio-quiet continuum objects, and also demonstrate that such radio-quiet BL Lac objects could exist at low redshift. Failure to include these radio-quiet BL Lacs in X-ray selected samples could explain the negative evolution found for this class of object.

We report on long-term multiwavelength monitoring of blazar Mrk 421 by the GLAST-AGILE Support Program of the Whole Earth Blazar Telescope (GASP-WEBT) collaboration and Steward Observatory, and by the Swift and Fermi satellites. We study the source behaviour in the period 2007-2015, characterized by several extreme flares. The ratio between the optical, X-ray and gamma-ray fluxes is very variable. The gamma-ray flux variations show a fair correlation with the optical ones starting from 2012. We analyse spectropolarimetric data and find wavelength-dependence of the polarization degree (P), which is compatible with the presence of the host galaxy, and no wavelength dependence of the electric vector polarization angle (EVPA). Optical polarimetry shows a lack of simple correlation between P and flux and wide rotations of the EVPA. We build broad-band spectral energy distributions with simultaneous near-infrared and optical data from the GASP-WEBT and ultraviolet and X-ray data from the Swift satellite. They show strong variability in both flux and X-ray spectral shape and suggest a shift of the synchrotron peak up to a factor of similar to 50 in frequency. The interpretation of the flux and spectral variability is compatible with jet models including at least two emitting regions that can change their orientation with respect to the line of sight.

We investigate the multiwavelength behaviour of the high-energy peaked BL Lac object (HBL) Mrk 421 at redshift z = 0.031 in the period 2007-2015. We use optical photometric, spectroscopic, and polarimetric data and near-infrared data obtained by 35 observatories participating in the GLAST-AGILE Support Program (GASP) of the Whole Earth Blazar Telescope (WEBT), as well as by the Steward Observatory Support of the Fermi Mission. We also employ high-energy data from the Swift (UV and X-rays) satellite to study correlations among emission in different bands.

Bibliography: leaves 191-202. 1. Introduction -- 2. Instrumentation and calibration -- 3. A radio monitoring program for southern blazars -- 4. Analysis of long-term blazar radio variability -- 5. Probing microarcsecond-scale structure using interstellar scintillation -- 6. The rapid scintillator, PKS 1257-326 -- 7. Conclusions and scope for further work.

This thesis presents the study of four aspects of high energy astronomy.The first part of my thesis is dedicated to an aspect of instrument development for imaging atmospheric Cherenkov telescopes, namely the Level 2 trigger system of the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.). My work on the project focused on the algorithm development and the Monte Carlo simulations of the trigger system and overall instrument (Moudden, Barnacka, Glicenstein et al. 2011a; Moudden, Venault, Barnacka et al. 2011b). The hardware implementation of the system is described andits expected performances are then evaluated. The H.E.S.S. array has been used to observe the blazar PKS 1510-089.The second part of my thesis deals with the data analysis and modeling of broad-band emission of this particular blazar. In part II of my thesis, I am presenting the analysis of the H.E.S.S. data: the light curve and spectrum of PKS 1510-089, together with the FERMI data and a collection of multi-wavelength data obtained with various instruments. I am presenting the model of PKS 1510-089 observations carried out during a flare recorded by H.E.S.S.. The model is based on a single zone internal shock scenario.The third part of my thesis deals with blazars observed by the FERMI-LAT, but from the point of view of other phenomena: a strong gravitational lensing. This part of my thesis shows the first evidence for gravitational lensing phenomena in high energy gamma-rays. This evidence comes from the observation of a gravitational lens system induced echo in the light curve of the distant blazar PKS 1830-211. Traditionalmethods for the estimation of time delays in gravitational lensing systems rely on the cross-correlation of the light curves from individual images. In my thesis, I used 300 MeV-30 GeV photons detected by the Fermi-LAT instrument. The FERMI-LAT instrument cannot separate the images of known lenses. The observed light curve is thus the superposition of individual image light curves. The FERMI-LAT instrument has the advantage of providing long, evenly spaced, time series with very low photonnoise. This allows to use directly Fourier transform methods. A time delay between the two compact images of PKS 1830-211 has been searchedfor both by the autocorrelation method and a new method: the "double power spectrum". The double power spectrum shows a 4.2 σ evidence for a time delay of 27.1±0.6 days (Barnacka et al. 2011), consistent with the results from Lovell et al. (1998) and Wiklind & Combes (2001).The last part of my thesis concentrates on another lensing phenomena called "femtolensing". The search for femtolensing effects has been used to derive limits on the primordial black holes abundance. The abundance of primordial black holes is currently significantly constrained in a wide range of masses. The weakest limits are established for the small mass objects, where the small intensity of the associated physical phenomenon provides a challenge for current experiments. I have usedgamma-ray bursts with known redshifts detected by the FERMI Gamma-ray Burst Monitor (GBM) to search for the femtolensing effects caused by compact objects. The lack of femtolensing detection in the GBM data provides new evidence that primordial black holes in the mass range 5 × 10^17 - 10^20 g do not constitute a major fraction of dark matter (Barnacka et al. 2012). My Ph.D. studies have been carried out jointly between the Nicolaus Copernicus Astronomical Center of the Polish Academy of Sciences, in Warsaw in Poland and the IRFU institute of the Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives(CEA) Saclay in France.

Blazars are variable emitters across all wavelengths over a wide range of timescales, from months down to minutes. It is therefore essential to observe blazars simultaneously at different wavelengths, especially in the X-ray and gamma-ray bands, where the broadband spectral energy distributions usually peak. In this work, we report on three " target-of-opportunity" observations of Mrk 421, one of the brightest TeV blazars, triggered by a strong flaring event at TeV energies in 2014. These observations feature long, continuous, and simultaneous exposures with XMM-Newton (covering the X-ray and optical/ultraviolet bands) and VERITAS (covering the TeV gamma-ray band), along with contemporaneous observations from other gamma-ray facilities (MAGIC and Fermi-Large Area Telescope) and a number of radio and optical facilities. Although neither rapid flares nor significant X-ray/TeV correlation are detected, these observations reveal subtle changes in the X-ray spectrum of the source over the course of a few days. We search the simultaneous X-ray and TeV data for spectral hysteresis patterns and time delays, which could provide insight into the emission mechanisms and the source properties (e. g., the radius of the emitting region, the strength of the magnetic field, and related timescales). The observed broadband spectra are consistent with a one-zone synchrotron self-Compton model. We find that the power spectral density distribution at greater than or similar to 4 x 10(-4) Hz from the X-ray data can be described by a power-law model with an index value between 1.2 and 1.8, and do not find evidence for a steepening of the power spectral index (often associated with a characteristic length scale) compared to the previously reported values at lower frequencies.

ALe télescope CAT (Cherenkov Array at Themis) est un nouvel instrument dédié à l'astronomie gamma de très haute énergie, entre 250 GeV et 20 TeV, opérationnel depuis septembre 1996. Cette thèse présente les techniques novatrices développées pour obtenir de hautes performances, en particulier l'électronique rapide et les très petits photomultiplicateurs. Les tests mis en œuvre prouvent le bon fonctionnement du déclenchement et de l'acquisition. Conjointement, une méthode d'analyse originale, fondée sur une exploitation exhaustive de l'information contenue dans l'image, est utilisée. Pour la première fois, des évènements gammas sont vus par deux détecteurs indépendants sur un même site et confortent la fiabilité de la technique Tcherenkov atmosphérique. Mais l'année 1997 a été marquée par l'émission gamma sans précèdent d'une source extra-galactique : le noyau actif Mrk501. Nettement plus élevé en moyenne que celui de la nébuleuse du crabe, son flux présente un indice spectral dur et de fortes variabilités. Cette détection a permis une confrontation des résultats des différentes expériences gamma au sol mais a également donne des renseignements précieux pour la compréhension astrophysique de ces objets : les modèles d'émission auto synchro Compton semblent favorisés. Le fond infra-rouge, rayonnement cosmologique important pour connaitre l'époque de la formation des galaxies, peut également être majoré à l'aide de ces données.

L'étude des mécanismes d'émission et de variabilité des blazars du TeV est l'objet d'intenses recherches depuis de nombreuses années. Les modèles courants d'émission une zone homogène utilisés posent de nombreux problèmes, notamment à cause des grands facteurs de Lorentz qu'ils requièrent et qui sont en contradiction avec les contraintes dérivées des observations radio des jets. Dans cette thèse je décris une approche multizone inhomogène dépendante du temps, dans le cadre du modèle du two-flow. Je calcule l'émission d'un jet complet, dans lequel se propagent des paires électron-positron relativistes distribuées en pileup. L'évolution et l'émission du plasma de paires est calculée en tenant compte d'un terme de chauffage turbulent, du refroidissement radiatif, ainsi que d'un terme de production de paires par photo-annihilation. Appliqué à PKS 2155-304, ce modèle permet de reproduire le spectre complet, ainsi que la variabilité simultanée multi longueur d'onde, avec un faible facteur de Lorentz. La variabilité est expliquée par l'instabilité de la création de paires dans le jet. La valeur du facteur de Lorentz est néanmoins trop élevée pour être en accord avec les observations radio et la statistique de détection de ces objet. Je montre à la fin de ma thèse,comment, en tenant compte de l'ouverture géométrique des jets, peut on réconcilier de grands acteur de Lorentz avec l'absence de mouvement superluminique observé en radio, ainsi que a relative abondance de ce tVDe de source
The study of the emission and variability mechanisms of TeV blazars has been the subject of intensive research for years. The homogeneous one-zone model commonly used is puzzling since it yields very high Lorentz factor, in contradiction with other observational evidences. Ln this work, 1 describe a new time dependent multi-zone approach, in the framework of the two¬ flow model. 1 compute the emission of a full jet, where relativistic electron-positron pairs distributed in pileup propagate. The evolution and the emission of the plasma is computed taking into account a turbulent heating term, some radiative cooling, and a pair production term due to photo-annihilation process. Applied to PKS 2155-304, the model allows to reproduce the full spectra, as weil as the simultaneous multi wavelength variability, with a relatively small Lorentz factor. The variability is explained by the instability of the pair creation process. Nonetheless, the value is still high to agree with other observational evidences in radio. Hence, 1 show in the last part of this work how to conciliate high l. !>rentz factor with the absence of apparent superluminal movement in radio, by taking into account the effect of the opening angle on the appearance of relativistic jets

Le développement des observations multi-longueurs d’onde des noyaux actifs de galaxies permet aujourd’hui d’atteindre une couverture quasi complète de leur rayonnement depuis la radio jusqu’aux plus hautes énergies accessibles, du domaine du TeV, par les télescopes Tcherenkov. Les modèles d’émissions de ces sources se trouvent de plus en plus contraints, en particulier pour les blazars où les scénarios standards de type Synchrotron Self Compton (SSC) à une zone sont régulièrement mis en défaut par ce nouveau flot d’informations. Le sujet principal de cette thèse est l’étude approfondie des blazars dits « intermédiaires » entre les deux catégories spectrales depuis longtemps identifiées que sont les BL Lacs et les FSRQs (pour fat spectrum radio quasars). En première approche nous menons une étude complète du blazar intermédiaire Ap Librae pour lequel nous montrons que la base du jet étendu joue un rôle très significatif dans le rayonnement global de la source. Pour cette étude nous présentons le développement d’un code SSC multi-zones traitant de manière cohérente les interactions radiatives entre les différentes composantes. Nous nous concentrons ensuite sur les caractéristiques radio observés par « very large baseline interferometry » (VLBI) du jet pouvant être utilisés pour contraindre efficacement les paramètres physiques et géométriques du modèle, et déduisons un lien fort entre les nodules radios observés dans le jet et la zone compacte émettant en gamma. En seconde approche nous caractérisons une population de blazars par l’étude des spectres radios, qui à l’instar d’Ap Librae présentent un jet relativement puissant devant l’émission d’une zone compacte SSC. Nous proposons une classification nouvelle des blazars basée sur les propriétés cinématiques des jets VLBI dans un échantillon de 167 sources sélectionnées dans la base de données du réseau de télescopes radio MOJAVE. La présence d’une corrélation entre la cinématique radio et la classe spectrale met en avant la nature de cette classe intermédiaire, dont nous vérifions par la suite la cohérence dans un scénario d’unification des blazars. Cette thèse étant également au sein de la collaboration du réseau de télescopes Tcherenkov H. E. S. S. , nous présentons les résultats d’analyse de sources nouvellement détectées ou très prometteuses aux très hautes énergies. Nous exposons aussi les développements récents d’une méthode d’amélioration de la précision astrométrique du réseau par le suivi d’étoiles sur les caméras
The development of multi-wavelength observations of active galactic nuclei nowadays allows to reach a quasi-full coverage their emission from radio to the highest reachable energies, in the TeV domain, by the Cherenkov telescopes. Consequently, the emission models of the sources are increasingly constraints, in particular for the blazars where standard one zone synchrotron self-Compton (SSC) emission scenarios are regularly disproved by this new information flow. The main subject of this thesis is the in-depth study of blazars called “intermediates” between the two spectral categories identified long-time ago which are BL Lacs and FSRQs (for flat spectrum radio quasars). In a first stage we lead a complete study of the intermediate blazar Ap Librae for which we show that the extended jet basis play a very significant role in the overall source radiation. For this study we present the development of a SSC multi-zones code dealing in a consistent way the radiative interactions between the different components. Thereafter we are foscusing on the radio features of the jet, observed by very long baseline interferometry (VLBI), being able to be used to constrain effectively the physical and geometrical parameters of the model. This study allows to deduce a strong link between the observed jet radio knots and the compact zone which emits in gamma-rays. In a second stage we characterize a blazar population by the radio spectra study, which like Ap Librae show a relatively strong jet compared to the emission of the compact SSC zone. We propose a new blazar classification based on kinematic properties of VLBI jets in a sample of VLBI jets in a sample of 167 sources selected in the MOJAVE database. A good correlation between VLBI kinematic properties and spectral classes is found and highlight the presence of an intermediate class. Hence we check consistence of the peculiar properties of this class in the general blazar unification scheme. This thesis being also within the H. E. S. S. Collaboration, we present the analysis results of recently detected or very promising sources at the very high energies. We expose also the last developments of a method which could improve the astrometric accuracy of the H. E. S. S. Array by a star tracking on the cameras

Les Noyaux Actifs de Galaxies (NAG) sont parmi les sources les plus énergétiques dans l’Univers. Certains possèdent un jet relativiste dont l’émission est purement non-thermique. Lorsque le jet est aligné avec notre ligne de visée, ces objets appelés “blazars” voient leur émission amplifiée par effet Doppler relativiste. Depuis l avènement de l’astrophysique aux très hautes énergies (THE; E > 100 GeV), les télescopes Čerenkov comme H. E. S. S. Ont observé près d’une trentaine de NAG, principalement des blazars, depuis le sol. Ils tirent parti du rayonnement Čerenkov issu des gerbes de particules secondaires engendrées par l’arrivée d’un photon dans l’atmosphère terrestre, pour remonter aux propriétés du photon incident et ainsi étudier ces sources extragalactiques. Nous avons étudié l’émission THE rapidement variable du blazar PKS 2155-304, dont deux éruptions majeures ont été détectées en Juillet 2006, grâce à un modèle Synchrotron self-Compton (SSC) dynamique. Cette émission variable présente des propriétés extrêmes excluant certains scénarios d’émission standard des blazars. Nous avons aussi développé un modèle d’émission SSC de jets relativistes non alignés avec la ligne de visée, afin d’interpréter la découverte récente par H. E. S. S. De deux radio galaxies, M87 et CenA, qui prouve l’émergence d’une nouvelle famille d’émetteurs cosmiques au TeV. Nous concluons avec une étude systématique menée sur l’ensemble des NAG actuellement connus au TeV, à l’aide d’un modèle SSC stationnaire. Nous présentons des diagnostics de prédictions de densités de flux dans ces objets, pouvant être confrontés aux observations futures du Čerenkov Telescope Array (CTA)
Active Galactic Nuclei (AGN) are among the most energetic sources in the Universe. A subgroup of AGN possesses relativistic jets, the emission of which is purely non-thermal. In the case where the jet is aligned to the line of sight, these objects, called “blazars”, have their emission amplified by the relativistic Doppler effect. Since the advent of very high energy (VHE; E > 100GeV) -ray astrophysics, Čerenkov telescopes like H. E. S. S. Have observed almost thirty AGN, mainly blazars, from the ground. Čerenkov radiation from particle showers created by the interaction of -rays in the terrestrial atmosphere is used to derive the properties of the incident photon and thus to study these extragalactic sources. We have studied the highly variable VHE -ray emission from the blazar PKS 2155- 304, from which two major outbursts were detected in July 2006, within the framework of a dynamic Synchrotron self-Compton (SSC) model. This variable emission presents properties excluding the most standard emission scenarios for blazars. We have also developed an SSCemission model for misaligned relativistic jets, to interpret the recent discovery of VHE -ray emission from two radio galaxies, M87 and CenA, which established the emergence of a new familiy of cosmic TeV emitters. We conclude with a systematic study conducted on all the AGN currently known at TeV with a stationary SSC model. We present tools for predictions of flux densities in these objects, which can be confronted with future observations by the Čerenkov Telescope Array (CTA)

: Ce manuscrit traite d'astronomie y de haute énergie (entre ~30 GeV et ~300 GeV) par l'intermédiaire du satellite Fermi-LAT et d'astronomie γ de très haute énergie (au-delà de GeV) via l'expérience H. E. S. S. La seconde phase de l'expérience H. E. S. S. A débuté en juillet 2012 avec l'ajout d'un cinquième télescope de 28 m de diamètre au réseau initialement constitué de quatre télescopes de 12m de diamètre d'imagerie atmosphérique Tcherenkov. Dans la première partie de cette thèse, nous présentons le-développement d'une analyse en mode hybride basée sur une méthode multivariée dédiée à la détection et à l'étude de sources ayant des caractéristiques spectrales différentes ainsi que les premiers résultats des analyses de données réelles. La seconde partie est dédiée à la recherche des candidats blazars parmi les sources non identifiées du Fermi-LAT du catalogue 2FGL. Un premier travail est consacré à l'identification des candidats blazars à l'aide de méthodes multivariées utilisant des variables discriminantes construites à partir des paramètres du catalogue 2FGL. Dans un second temps, à l'aide du catalogue de sources infrarouges obtenues par le satellite WISE et d'une méthode non-paramétrique nous recherchons les contreparties de type blazars des sources non-identifiées
This manuscript is about high energy -γ-ray astronomy (between GeV and GeV) with the Fermi-LAT satellite and very high energy astronomy above ~GeV) via the H. E. S. S. Experiment. The second phase of the H. E. S. S. Experiment began in July 2012 with the inauguration of a fifth 28 m diameter telescope added to the intial array composed of four 12m diameter imaging atmospheric Cherenkov telescopes. In the first part of this thesis, we present the development of an analysis in hybrid mode based on a multivariate method dedicated to detect and study sources with different spectral shapes and the first analysis results on real data. The second part is dedicated to the research of blazar candidates among the Fermi-LAT unidentified sources of the 2FGL catalog. A first development is based on a multivariate approach using discriminant parameters built with the 2FGL catalog parameters. A second development is done with the use of the WISE satellite catalog and a non-parametric technic in order to find the blazar-like infrared counterparts of the unidentified sources of the 2FGL catalog

Les blazars sont connus pour leur variabilité sur une large gamme d'échelles de temps à toutes les longueurs d'onde; et leur classification (en quasars radio à spectre plat, BL Lac à basse fréquence crête, intermédiaire ou haute fréquence; FSRQ, LBL, IBL, HBL, pour ses sigles en anglais) est basée sur des caractéristiques spectrales à large bande qui ne considèrent pas la source comme étant, éventuellement, dans différentes états d'activité. Récemment, il a été proposé de classer les blazars en fonction de la cinématique de leurs caractéristiques radio. La plupart des études sur les blazars à rayons gamma TeV se concentrent sur des échelles de temps courtes, en particulier pendant les éruptions, en raison de la rareté des campagnes d'observation ou de l'existence relativement récente de détecteurs spécialisés suffisamment sensibles.Avec une décennie d'observations du Fermi-LAT, VERITAS, Je présente une étude approfondie de la variabilité à long terme multi longueurs d'onde du blazar 1ES 1215+303, des rayons gamma à la radio. Cet ensemble de données sans précédent révèle de multiples éruptions de rayons gamma fortes et une augmentation à long terme de la ligne de base des rayons gamma et du flux optique de la source sur une période de dix ans, ce qui se traduit par une corrélation linéaire entre ces deux bandes d'énergie sur une décennie. Des comportements HBL typiques sont identifiés dans la morphologie radio de la source. Cependant, des analyses de la distribution d'énergie spectrale à large bande à différents états de flux de la source, révèlent un déplacement extrême de l'énergie de la fréquence de crête du synchrotron de l'IR aux rayons X mous; indiquant que la source présente les caractéristiques IBL pendant les états de repos et le comportement HBL pendant les états éruptifs. Un modèle synchrotron self-Compton à deux composantes est utilisé pour décrire ce changement spectaculaire.Un cadre détaillé de l'analyse des données de l'instrument Fermi-LAT est fourni et pourrait servir de guide aux chercheurs intéressés par ce domaine. Je présente les efforts approfondis de validation des méthodes utilisées et les contrôles d'intégrité des résultats effectués. Une description des analyses de niveau supérieur est fournie, comme la sélection des éruptions et la recherche d'un comportement plus dur quand plus lumineux dans les données de Fermi-LAT, l'analyse de corrélation croisée et de variabilité à plusieurs longueurs d'onde; la recherche de tendances, log-normalité et variabilité, la caractérisation des éruptions et des distributions spectrales d'énergie, et la recherche d'observations Fermi-LAT - VERITAS simultanées. Ce sont le cœur de ce travail de doctorat.Les différentes méthodes appliquées et présentées dans ce travail fournissent un panorama complet et détaillé de la nature complexe de ce blazar et peuvent même remettre en question notre système de classification actuel. De plus, ce travail fournit une illustration du type d'analyses à long terme que les futurs instruments d'imagerie atmosphérique, tels que le Cherenkov Telescope Array, non seulement permettront mais pourrait même d'améliorer
Blazars are known for their variability on a wide range of timescales at all wavelengths; and their classification (into flat spectrum radio quasars, low-, intermediate- or high-frequency-peaked BL Lac; FSRQ, LBL, IBL, HBL) is based on broadband spectral characteristics that do not consider the source being at, possibly, different states of activity. Recently, it was proposed that blazars could be classified according to the kinematics of their radio features. Most studies of TeV gamma-ray blazars focus on short timescales, especially during flares, due to the scarcity of observational campaigns or due to the relatively young existence of specialized, sensitive enough detectors.With a decade of observations from the Fermi-LAT and VERITAS, I present an extensive study of the long-term multi-wavelength variability of the blazar 1ES 1215+303 from gamma-rays to radio. This unprecedented data set reveals multiple strong gamma-ray flares and a long-term increase in the gamma-ray and optical flux baseline of the source over the ten-year period, which results in a linear correlation between these two energy bands over a decade. Typical HBL behaviors are identified in the radio morphology of the source. However, analyses of the broadband spectral energy distribution at different flux states of the source, unveil an extreme shift in energy of the synchrotron peak frequency from IR to soft X-rays; indicating that the source exhibits IBL characteristics during quiescent states and HBL behavior during high states. A two-component synchrotron self-Compton model is used to describe this dramatic change.A detailed framework of the analysis of the data from the Fermi-LAT instrument is provided, and could serve as a guideline for researchers interested in this field. I present the thorough efforts that were employed in validating the methods used and the sanity checks that were performed on the results obtained. A description of the higher-level analyses are provided, including the flare-selection algorithms, the search for harder-when-brighter behavior in the Fermi-LAT data, the multi-wavelength cross-correlation and variability analysis, the search for trends, log-normality and variability, the characterization of flares and of the spectral energy distributions, and the search for simultaneousFermi-LAT - VERITAS observations. These are the heart of this PhD work.The different methods applied and presented in this work provide a complete and detailed panorama of the intricate nature of this blazar, and possibly even challenge our current classification scheme. Moreover, this work provides an illustration of the type of long-term analyses that future imaging atmospheric instruments, such as the Cherenkov Telescope Array, will not only allow but potentially improve

Le domaine de longueurs d'onde du spectre electromagnetique s'etendant de 30 a 300 GeV a ete ouvert recemment par les experiences CELESTE et STACEE, qui utilisent la reconversion de centrales solaires pour capter la lumiere Cherenkov emise par les cascades de particules que ces photons de haute energie provoquent dans l'atmosphere terrestre.
Ces photons sont emis au sein d'objets tels que les supernovae, les pulsars ou les noyaux de galaxie de type blazar, les plus extremes et les plus variables de ces derniers. L'observation des blazars permet d'etudier le comportement de la matiere dans des conditions physiques extremes et de sonder le passe lointain de l'univers. Un des themes principaux de ce travail de these a ete de developper les methodes d'analyse de donnees de CELESTE et de valider leur fonctionnement.
Un effort particulier a ete porte sur la recherche de criteres de rejectionhadronique efficaces, la sensibilite du detecteur y etant intimement liee. Une variable originale basee sur l'annalyse temporelle du front d'onde, a ete degagee dans ce but. Le fonctionnement du detecteur et de l'analyse de donneesa ete valide par l'observation de la nebuleuse du crabe, la chandelle standard de l'astronomie gamma. L'acceptance du detecteur a ete calculee a partir de simulations de type Monte-Carlo. Le seuil du detecteur, d'apres ces etudes, est de 30 GeV au niveau declenchement et de 60 GeV apres les coupures d'analyse. CELESTE fontionne de façon stable depuis Novembre 1999, avec 40 heliostats, et a accumule des donnees en quantite interessante sur 4 blazars.
Sur Mrk-421, plusieurs sursauts d'activite ont ete detectes et un flux moyen a pu etre calcule. Une correlatio a ete observee entre l'activite vue par CELESTE et celle vue au TeV et en X, confirmant les modeles de ce type d'objet. des limites superieures ont ete calculees sur Mrk501, 1ES0219+42.8 et 1ES2344+51.4. Il s'agit la des premieres observations de blazars entre 60 et 250 GeV.

L'actuelle génération de détecteurs de rayons gamma au TeV a permis d'étudier les sources les plus brillantes (Noyaux Actifs de Galaxies et restes de supernovae). Afin de détecter des objets moins lumineux, nous proposons des techniques d'observation et d'analyse améliorant la sensibilité des détecteurs que nous avons appliqués sur le détecteur CAT (Cerenkov Array at Themis). Le développement d'un maximum de vraisemblance a permis de doubler notre sensibilité sur la nébuleuse du Crabe près du transit. Cet outil permet désormais de rechercher des sources de position inconnue sans perte de sensibilité (aux effets instrumentaux près) et de tester des hypothèses sur la forme des extensions spatiales des émissions.
Grâce à ces techniques, nous avons détecté de faibles et rapides variations de flux de Mkn 421, découvert deux nouveaux blazars IES 1959+65 et IES 1426+42.8 qui est de faible luminosité et nous avons identifié deux blazars susceptibles d'émettre au TeV. La comparaison des spectres en énergie des blazars de même redshift (Mkn 421 et Mkn 501) permet de nous affranchir de l'absorption des gamma par l'infrarouge intergalactique (IIR) : Mkn 421 semble posséder un spectre avant absorption distinct d'une loi de puissance sur au moins une nuit. La dérivation d'informations plus précises sur les blazars dépendra des futures connaissances sur l'IIR et des observations simultanées multi-longueurs d'onde.
Ayant observé des restes de supernovae contenant des plérions (IC 443, CTA 1 et CTB 80), nous avons cherché en vain une émission provenant des plérions et de l'interaction de ces restes avec des nuages moléculaires grâce au maximum de vraisemblance. Les valeurs supérieures extraites sur les plérions ont été comparées avec des modèles d'émission électromagnétique d'un spectre d'électrons accélérés. Ces comparaisons nous ont amenées à nous interroger sur les hypothèses faites dans ces modèles et sur la pertinence des plérions choisis.

Les noyaux actifs de galaxie (AGN pour Active Galactic Nuclei en anglais) ont été découverts il y a maintenant plus de 50 ans mais restent entourés de mystère. Bien que nous soyons sûrs qu’ils tirent leur énergie d’un trou noir supermassif entouré d’un disque d’accrétion et qu’ils disposent parfois d’un jet relativiste, les liens entre le trou noir, le disk et le jet, de même que les mécanismes d’accélération et d’émission, restent flous. Les modèles leptoniques et hadroniques arrivent tout deux à expliquer la distribution spectrale en énergie (SED pour Spectral Energy Distribution en anglais) des blazars à haute énergie (dans le domaine du GeV-TeV), donnant une dégénérescence. Cependant, les blazars sont connus pour leur variabilité, parfois extrême, dans toutes les longueurs d’onde. Cette variabilité peut nous aider à remonter aux mécanismes en jeu dans le noyau et dans le jet, donnant un outil pour discriminer entre différents processus.L’astronomie gamma est née dans les années 60 pour explorer notre univers aux hautes énergies et trouver l’origine du rayonnement cosmique. Plusieurs sources gamma ont été découvertes depuis et les AGN ont été classifiés comme les objets les plus extrêmes.L’avènement de la troisième génération de télescopes à imagerie Cherenkov, dont les télescopes H.E.S.S. font partie, a permis de recueillir plus de données à très haute énergie (E > 100 GeV) pour mieux comprendre les AGN. Les télescopes spatiaux comme le Fermi-LAT, qui détecte les gamma dans la gamme du MeV-GeV, permettent de couvrir le reste de la gamme haute énergie de l’émission des blazars. Les données à haute énergie sont particulièrement importantes car c’est dans cette gamme que la dégénérescence entre les modèles apparaît et nous avons besoin de données pour construire des courbes de lumière sur le long terme.Cette thèse présente différents projets sur lesquels j’ai travaillé durant ces trois ans. Chacun d’eux a pour but final une meilleure compréhension des blazars. Pour cela, j’ai eu deux approches différentes. Une première approche a été de faire des études de population au TeV avec les télescopes H.E.S.S., soit en regardant tous le ciel observé par H.E.S.S. avec le projet HEGS ou en essayant de détecter de nouveaux objets rare à ces énergies pour sonder ce qu’on appelle la séquence blazar. La seconde approche a consisté en une étude de variabilité approfondie d’un blazar particulier. L’étude multi-longueur d’onde de la variabilité long terme du blazar PKS 2155-304 a révélé un comportement intéressant, permettant de sonder les mécanismes d’émission jusqu’à ceux d’accrétion. Les méthodes d’analyse temporelle développées pour cette étude peuvent être utilisées de manière plus systématique pour étudier les blazars dans une perspective de variabilité plutôt que seulement sur leur SED
Active Galactic Nuclei (AGN) have been discovered more than 50 years ago and yet they remain mysterious. Although we are sure they are powered by a supermassive black hole fed by an accretion disk and that they sometimes display a relativistic jet, the links between the black hole, the disk and the jet along with the acceleration and emission mechanisms are still unclear. Leptonic and hadronic models managing both in explaining the spectral energy distribution (SED) of blazars at high energy (in the GeV-TeV range), there is a degeneracy. However, blazars are known to be highly variable in all wavelengths. This variability can trace the mechanisms at play in the central engine and in the jet, giving a tool to discriminated between different processes.Gamma-ray astronomy started in the 60s to probe the high energy universe and find the origin of the cosmic-ray radiation. Several high energy sources were discovered and AGN were classified as the most energetic ones.The advent of the third generation of Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (IACT), including the H.E.S.S. experiment, help gathering more data at very high energy (VHE) in order to understand better these objects. Space-based telescope like the Fermi-LAT, looking at gamma-rays in the GeV range, are used as well to cover all the high energy range of the emission. High energy data are of great importance because this is where the degeneracy between models appears and data are needed to build long term light curves.This thesis presents different projects I worked on during these three years. Each of them aims to have a better understanding of the blazars. For this I used two different approaches. The first one was doing population studies at TeV with the H.E.S.S. telescopes, either by looking at all the TeV sky observed by H.E.S.S. with the HEGS project or by trying to detect new objects, rare at TeV, to probe what we call the blazar sequence. The second approach was the detailed variability analysis of one particular blazar. The long term multi-wavelength variability study of the blazar PKS 2155-304 revealed an interesting behaviour, allowing to probe up to the accretion mechanism. The time series analysis methods developed for this study can be used in a more systematic way for population studies with a variability perspective rather than the SED one

Le blazar Mrk 501 possède un spectre d'émission non thermique présentant deux composantes. La première, dominant entre le domaine radio et celui des rayons X, correspond à l'émission synchrotron du jet magnétisé, tandis que l'origine de la seconde, dans le domaine gamma de haute énergie, demeure encore sujette à discussion. Jusqu'en 1999, ce dernier domaine d'énergie n'avait été couvert qu'entre 100 MeV et 4 GeV, ainsi qu'au-dessus de 300 GeV. La mise en place de l'expérience CELESTE a comblé la fenêtre d'énergie manquante : observation de l'émission Tcherenkov produite par les rayons gamma d'énergie entre 50 et 350 GeV pénétrant l'atmosphère. Source variable, Mrk 501 a ainsi été observée en 2000 et 2001, détectée en 2000 avec calcul de son flux permettant de contraindre les modèles d'émission à haute énergie.
Cette thèse présente la démarche effectuée jusqu'à la détection de Mrk 501 : dans un premier temps, par la validation de l'analyse utilisée sur des observations de la nébuleuse du Crabe, chandelle standard des télescopes Tcherenkov atmosphériques ; puis la détermination des coupures d'analyse, dépendantes de la région du ciel pointée, à partir d'observations du blazar Mrk 421, de même déclinaison que Mrk 501, dont la forte activité permet une détection claire. Enfin, des simulations, tenant compte de la qualité de l'atmosphère et améliorées pour mieux reproduire le détecteur, ont permis d'établir la surface effective de l'instrument pour en déduire le flux de Mrk 501 entre avril et juin 2000. Ce flux a été comparé avec un modèle d'émission de type synchrotron self-Compton et avec des données prises en rayons X. Elles indiquent que Mrk 501 apparaissait légèrement plus actif durant cette période par rapport au reste de l'année et à l'année 2001. Une limite supérieure au flux est calculée pour l'ensemble des autres mesures. C'est une première mesure dans le domaine d'énergie 50 - 350 GeV (gamme représentant les limites en énergie pour lesquelles le taux de comptage, c'est-à-dire la convolution du spectre de l'astre avec la surface effective de collection de l'instrument, se révèle supérieur à 20 % du maximum de comptage). Elle apporte des contraintes sur la position du maximum d'émission Compton inverse et tend à favoriser, dans ce cas précis, des processus d'émission X et gamma par deux populations d'électrons différentes (la variation dans le domaine X est faible comparée à celle du domaine gamma).

Ce manuscrit de thèse présente l’étude des processus d’émission de deux types de noyaux actifs de galaxie détectés aux rayons gamma : des blazars vues au TeV et des Narrow Line Seyfert 1s (NLS1s) détectés au GeV. La distribution spectrale d’énergie des blazars peut être décrite en général par des modèles 'one-zone synchrotron self-Compton'. Ce modèle a été appliqué au blazar 1ES2322-409 qui fut premièrement détecté au TeV par l’expérience HESS. Des composantes externes comme le tore, le disque d’accrétion, la couronne X ou la 'Broad Line Region' sont nécessaires pour expliquer la radiation observée dans des NLS1 qui émettent des rayons gamma. Un modèle numérique qui considère ces champs des photons externes a été développé. Ce modèle explique l’émission observée et la transition entre des états bas et des états d’émission augmentée pour trois NLS1s vues au régime gamma : 1H0323+342, B20954+25A et PMN J0948+0022
This thesis manuscript presents the study of the emission processes of two types of gamma-emitting active galactic nuclei: TeV-detected blazars and GeV-detected Narrow Line Seyfert 1s (NLS1s).The Spectral Energy Distribution (SED) of TeV blazars can in general be well described by simple one-zone synchrotron self-Compton models. Such model has been applied to the blazar 1ES2322-409 that was first detected at TeV by the HESS collaboration.Additional external photon fields such as the obscuring torus, the accretion disc, the X-ray corona or the broad line region are necessary to describe the observed radiation and broad-band SED of gamma-emitting NLS1s. A numerical model that takes into account emission from these external fields has been developed. The model explains the observed emission and the transition from quiescent to gamma-ray flaring states of three gamma-emitting NLS1s: 1H0323+342, B20954+25A and PMN J0948+0022

Des modèles spécifiques de gravitation quantique suggèrent l’existence d’une Violation de l’Invariance de Lorentz (LIV en anglais) à l’échelle de Planck. Une des signatures de cette violation est la modification de la propagation des photons dans le vide, induisant des décalages temporels dépendant de l’énergie des photons observés sur Terre. De tels décalages dans le temps d’arrivée de rayons γ sont recherchés avec l’expérience H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System), grâce aux émissions de très hautes énergies en provenance de sources lointaines telles que les blazars. Néanmoins, l’origine du décalage temporel doit être comprise en détails. En effet, un décalage intrinsèque à la source pourrait venir biaiser les contraintes sur les modèles de gravitation quantique. Cette thèse propose dans un premier temps de s’intéresser à la modélisation temporelle des éruptions de blazars, pour étudier les possibles décalages intrinsèques liés aux processus d’émissions de ces éruptions. Grâce à l’élaboration d’un modèle simple, cette étude met en relief les différentes caractéristiques de ces décalages intrinsèques sur les scénarios d’éruptions de blazar afin d’essayer de les distinguer des décalages potentiellement dus à un effet de LIV et aussi de proposer de nouvelles contraintes basées sur ces décalages temporels. Dans un deuxième temps, la méthode de recherche de décalages temporels dépendant de l’énergie avec H.E.S.S. est présentée ainsi qu’une application sur l’éruption du blazar Markarian 501 ayant eu lieu en juillet 2014. Cette analyse a permis d’établir la meilleure limite obtenue sur le terme quadratique de la signature de la LIV avec l’utilisation d’éruption de blazars
Specific models of quantum gravity suggest the existence of a Lorentz Invariance Violation (LIV) at the Planck scale. One signature of that violation is a modification the propagation of photons in vacuum which induces energy dependent delays in the arrival time of photons on Earth. The H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) experiment can search for such delays in the arrival time of gamma rays, thanks to the very high energy emission coming from distant blazars. However, the time delay origin have to be fully understood. Indeed, an intrinsic time delay coming from the source can bias the constraints made on quantum gravity models. In the first part of this thesis, a time dependent blazar flare model is considered to search for the presence of intrinsic time delays related to the emission mechanisms of flares. With the elaboration of a simple scenario, this study highlights the different characteristics of intrinsic time delays in order to investigate how to disentangle them from delays due to LIV as well as to provide new constraints on blazar modeling. In the second part of this thesis, the method used to search for LIV signatures in blazar light curves at very high energy is presented as well as an application to the flare of Markarian 501 which occurred in July 2014. This analysis provides in particular the best upper limit on the quadratic term of LIV signature

BL Lacertae objects belong to the most luminous sources in the Universe. They represent a subclass of active galactic nuclei with a spectrum that is dominated by non-thermal emission, extending from radio wavelengths to tera electronvolt (TeV) energies. The emission is strongly variable on time scales of years down to minutes, and arises from relativistic jets pointing at small angles to the line of sight of the observer, which is the reason for naming them “blazars”. Blazars are the dominant extragalactic source class in the radio, microwave and gamma-ray regime, are prime candidates for the origin of the Cosmic Rays and excellent laboratories to study black hole and jet physics as well as relativistic effects. Despite more than 20 years of observational efforts, the physical mechanisms driving their emission are not yet fully understood. So far, studies of their broad-band continuum emission were mostly concentrated on bright, flaring states. However, for a better understanding of the central engine powering the jets, the bias from flux-limited observations of the past must be overcome and their long-term average continuum spectral energy distributions (SEDs) must be determined. This work presents the first simultaneous multi-wavelength campaigns from the radio to the TeV regime of two high-frequency peaked BL Lacertae objects known to emit at TeV energies. The first source, 1ES 1011+496, was observed between February and May 2008, the second one, 1ES 2344+514, between September 2008 and February 2009. The extensive observational campaigns were organised independently from an external trigger for the presence of a flaring state. Since the duty cycle of major flux outbursts is known to be rather low, the campaigns were expected to yield SEDs representative of the long-term average emission. Central for this thesis is the analysis of data obtained with the MAGIC Cherenkov telescope, measuring energy spectra and light curves from ~0.1 to ~10 TeV. For the remaining instruments, observation time was proposed and additional data was organised by collaboration with the instrument teams by the author of this work. Such data was obtained mostly in a fully reduced state. Individual light curves are investigated as well as combined in a search for inter-band correlations. The data of both sources reveal a notable lack of a correlation between the emission at radio and optical wavelengths, indicating that the radio and short-wavelength emission arise in different regions of the jet. Quasi-simultaneous SEDs of two different flux states are observationally determined and described by a one-zone as well as a self-consistent two-zone synchrotron self-Compton model. First approaches to model the SEDs by means of a Chi2 minimisation technique are briefly discussed. The SEDs and the resulting model parameters, characterising the physical conditions in the emission regions, are compared to archival data. Though the models can describe the data well, for 1ES 1011+496 the model parameters indicate that in addition to the synchrotron and inverse-Compton emission of relativistic electrons, emission due to accelerated protons seems to be required. The SEDs of 1ES 2344+514 reveal one of the lowest activity states ever detected from the source. Despite that, the model parameters are not indicative of a distinct quiescent state, which may be caused by the degeneracy of the different parameters in one-zone models. Moreover, indications accumulate that the radiation can not be attributed to a single emission region. The results disfavour some of the current blazar classification schemes and the so-called “blazar sequence”, emphasising the need for a more realistic explanation of the systematics of the blazar SEDs in terms of fundamental parameters
BL Lacertae-Objekte sind mit die leuchtkräftigsten Quellen im Universum. Sie stellen eine Unterklasse der Galaxien mit aktiven Kernen dar. Ihr Spektrum erstreckt sich von Radio-Wellenlängen bis in den Tera-Elektronvolt (TeV)-Bereich und ist dominiert durch nicht-thermische Strahlung. Ihre Emission is stark variabel, auf Zeitskalen von Jahren bis Minuten, und entsteht in relativistischen Jets, welche mit einem geringen Winkel zur Sichtlinie beobachtet werden. Daher werden diese Objekte “Blazare” genannt. Blazare sind die dominierende extragalaktische Quellpopulation im Radio-, Mikrowellen- und Gamma-Regime, gehören zu den favorisierten Quellen der Kosmischen Strahlung und bieten ausgezeichnete Bedingungen, um die Physik schwarzer Löcher, Jets sowie relativistische Effekte zu untersuchen. Trotz mehr als 20 Jahre andauernder Beobachtungen sind die physikalischen Mechanismen, welche für die Emission verantwortlich sind, noch nicht völlig verstanden. Bisher konzentrierten sich die Untersuchungen der Breitband-Kontinuumsstrahlung der Quellen hauptsächlich auf deren helle Ausbrüche. Um jedoch die zentrale Komponente der Jetenergetik zu verstehen, muss die in der Vergangenheit aufgebaute Tendenz zu flusslimitierten Beobachtungen überwunden werden, und die über lange Zeiträume gemittelten spektralen Energieverteilungen bestimmt werden. Die vorliegende Arbeit präsentiert die ersten simultanen Multiwellenlängenkampagnen vom Radio- bis in den TeV-Bereich für zwei BL Lacertaue Objekte, welche als TeV-Emitter bekannt sind. Die erste der beiden Quellen, 1ES 1011+496, wurde zwischen Februar und Mai 2008 beobachtet, 1ES 2344+514, die zweite Quelle, von September 2008 bis Februar 2009. Die umfangreichen Beobachtungskampagnen wurden unabhängig von externen Benachrichtigungen über hohe Flusszustände organisiert. Da starke Ausbrüche der Quellen relativ selten sind, wurde von den Kampagnen erwartet, dass eine spektrale Energieverteilung erbringen würden, welche repräsentativ für ein Langzeitmittel der Emission wäre. Die Analyse der Daten des MAGIC-Cherenkov-Teleskops, welches im Bereich von ~0.1 – 10 TeV beobachtet, nahm in dieser Arbeit ein zentrale Rolle ein. Daten der übrigen Instrumente wurde entweder über Anträge auf Beobachtungszeit oder Kooperationen mit den Instrumententeams vom Autor dieser Arbeit eingeworben. Entsprechende Daten wurden hauptsächlich in einer finalen Form übermittelt. In dieser Arbeit werden die individuellen Lichtkurven untersucht sowie für die Suche nach Korrelationen zwischen den verschiedenen Bändern verwendet. Für beide Quellen konnte keine Korrelation zwischen dem Radio- und optischen Bereich gefunden werden, was darauf hindeutet, dass deren Strahlung in unterschiedlichen Regionen des Jets produziert wird. Mit Hilfe der gewonnenen Daten wurden quasi-simultane spektrale Energieverteilungen in je zwei unterschiedlichen Flusszuständen ermittelt und mit Hilfe eines Ein-Zonen sowie eines selbst-konsistenten Zwei-Zonen-Synchrotron-Selbst-Compton-Modells beschrieben. Erste Versuche, die Energieverteilungen mit Hilfe einer Chi2-Minimisierungsstrategie zu untersuchen werden kurz erläutert. Die gewonnen Modellparameter, welche die physikalischen Eigenschaften der Emissionsregionen charakterisieren, werden mit Archivdaten verglichen. Obwohl die Modelle die spektralen Energieverteilungen gut beschreiben können, deuten die Modellparameter darauf hin, dass neben der Synchrotron- und invers-Compton-Strahlung relativistischer Elektronen auch Protonen zur Emission beitragen. Im Fall von 1ES 2344+514 konnte einer der niedrigsten jemals gemessenen Flusszustände beobachtet werden, welcher jedoch nicht durch Modellparameter gegeben ist, die auf einen Grundzustand der Quelle hindeuten würden. Eine Ursache hierfür könnte in der Entartung der Modellparameter der ein-Zonen-Modelle liegen. Zusätzlich zeichnet sich ab, dass mehrere Regionen für die beobachtete Emission verantwortlich sind. Die gewonnenen Ergebnisse sind schwer mit aktuellen Szenarien der Klassifikation der Blazare sowie der sogenannten “Blazar-Sequenz” vereinbar. Diese Erkenntnisse verdeutlichen, dass eine realistischere, auf grundlegenden Parametern basierende Interpretation der Systematiken der spektralen Energieverteilungen von Nöten ist

Blazars, active galactic nuclei with relativistic jets pointed almost directly at Earth, are powerful and highly variable sources of nonthermal electromagnetic radiation, including very-high-energy gamma rays. We can detect these gamma rays with arrays of imaging atmospheric Cherenkov telescopes (IACTs), including the Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) and the upcoming Cherenkov Telescope Array (CTA). After reviewing the science of blazars and the methods used by IACTs, we investigate how gamma-ray variability can provide insight into blazars' physical properties while also complicating efforts to understand these sources as a population. We first present a study of three flaring blazars observed with VERITAS and analyze these sources' spectral and variability characteristics, taking into account data at other wavebands, including that of the Large Area Telescope aboard the Fermi space telescope (Fermi-LAT). Next, after laying out how observing biases and intrinsic variability can confound blazar population studies with IACTs, we propose methods to account for these effects, and use simulated data to report expectations for a blazar luminosity function measurement with VERITAS. Sophisticated new instruments and data analysis methods can further expand the frontier of gamma-ray blazar science. To that end, we design a camera software system to enable safer and more efficient operations of a next-generation IACT being developed for CTA, the prototype Schwarzschild-Couder Telescope (pSCT). Finally, we develop methods to apply deep neural networks to the analysis of IACT data and employ these methods to reject background events detected by simulated arrays of IACTs.

Blazars are active galactic nuclei characterized by ultra-luminous broad-band, non-thermal radio to gamma-ray continuum radiation, and by irregular, rapid flux variability across wavebands. They are divided into two subclasses: BL Lac objects and flat spectrum radio quasars (FSRQs). A primary method employed to probe our understanding of these objects is to study their spectral energy distributions (SEDs). Until recently, however, studies of blazar SEDs have been hindered by an insufficient number of simultaneous observations across the spectrum, a critical deficiency with such variable objects. In this thesis, I discuss the data accumulated by an international, long-term, 35-blazar monitoring program led by the Boston University blazar group. By systematically processing these data, I produce SEDs using measurements obtained on average within nine hours per epoch. Sufficient measurements exist within the data set to study the sources in differing states of activity. I propose a definition of quiescent and active states, and extract measurements for epochs during which the sources were either quiescent or active in the gamma-ray regime. For these epochs, I measure the spectral slopes and statistically analyze the relationships between slopes at the different frequency regimes. While the subclasses exhibit some distinct characteristics in the optical and gamma-ray indices when quiescent, these distinctions are significantly less pronounced when the objects are active. The spectral indices for the FSRQs steepen when active in the optical, flatten in the gamma-ray, and remain flat and stable in the X-ray. Generally, BL Lacs exhibit less pronounced changes between states than do the FSRQs.