High-energy astrophysical processes commonly happen in the surroundings of compact objects, like neutron stars and black holes. In such environments, relativistic particles can emit gamma-rays and also scatter low-energy photons up to the gamma-ray domain. With the launch of the Fermi Large Area Telescope (LAT) in 2008, a new window was open to the gamma-ray sky, allowing us to observe a huge variety of astrophysical phenomena never seen before. Fermi-LAT's remarkable sensitivity in the 100 MeV - 500 GeV energy band allowed for the detection of more than 5000 gamma-ray sources and this number is still growing. In this thesis, we use the unprecedented Fermi-LAT capabilities in two different ways. In the first half of the thesis, we explore the gamma-ray emission from globular clusters and low-luminosity active galactic nuclei (LLAGNs), where both classes are poorly understood in the high-energy domain. By using roughly 10 years of gamma-ray observations, we are able to uncover some aspects of the dynamical formation of millisecond pulsars (MSPs) in globular clusters, especially on how stellar close encounters in the cores of globular clusters can form and/or disrupt compact mass-transferring binary systems, which could potentially evolve into gamma-ray emitting MSPs. With a similar analysis, we explore the mechanisms behind the gamma-ray emission of LLAGNs, this time also comparing hadronic and leptonic models for high-energy processes happening in the black hole surrounding hot accretion flow. In the second half of the thesis, we use Fermi-LAT data to associate gamma-ray sources with their optical-infrared counterparts. Although the Fermi-LAT spatial resolution, typically <5', is the highest ever achieved for a gamma-ray space-based telescope, it is not enough to avoid problems with source association. In fact, 25% of the gamma-ray sources listed in the last Fermi-LAT catalog have no obvious low-energy counterpart. To face this problem, we work on three distinct, direct and indirect, counterpart identification methods. At first, we use the correlations between mid-infrared colors and gamma-ray emission to better select and characterize the counterpart candidates of Fermi-LAT blazars. We then develop an alternative method of counterpart association by accounting for the mid-infrared colors and radio loudness when computing the association probability with the likelihood ratio method. Finally, we perform a direct search for counterparts by doing an optical spectroscopic follow up of a few tens of sources. The results from these approaches are very promising, especially on the association and selection of future targets for spectroscopic follow up of Fermi-LAT blazars.

Processos físicos de altas energias comumente ocorrem nas redondezas de objetos astronômicos compactos, como estrelas de nêutrons e buracos negros. Nesses ambientes extremos, partículas subatômicas viajando a velocidades relativísticas são capazes de emitir raios gama, bem como ricochetear fótons de baixas energias, tornando-os muito mais energéticos. Com o lançamento do Fermi Large Area Telescope (LAT) em 2008, a observação de novos fenômenos astrofísicos tornou-se possível. A sensitividade sem precedentes do Fermi-LAT na banda de 100 MeV - 500 GeV permitiu a detecção de mais de 5000 fontes de raios gama ao longo de mais de uma década de operações, número este que continua crescendo. Nesta tese de doutorado, nós usamos o potencial do Fermi-LAT de duas maneiras diferentes. Na primeira metade da tese, exploramos a emissão de raios gama de aglomerados globulares e de núcleos ativos de galáxias com baixa luminosidade (LLAGNs), ambas as classes ainda pouco compreendidas no domínio dos raios gama. Usando aproximadamente 10 anos de observações, nós conseguimos desvendar alguns dos aspectos dinâmicos que levam à formação de pulsares de milissegundo (MSPs) em aglomerados globulares, e especialmente como encontros estelares nos núcleos desses aglomerados podem levar à formação e/ou desmembramento de sistemas binários compactos que, dependendo de sua configuração, podem evoluir para MSPs emissores de raios gama. Partindo de uma análise similar, nós exploramos os mecanismos de produção de raios gama em LLAGNs, mas dessa vez testando modelos hadrônicos e leptônicos na tentativa de discriminar quais processos astrofísicos de altas energias geram os raios gama que observamos nesses ambientes. Na segunda metade da tese, nós usamos os dados do Fermi-LAT para associar fontes de raios gama às suas contrapartidas no infravermelho. Apesar dos excelentes avancos do Fermi-LAT em relação aos seus predecessores, sua resolução não é alta o suficiente para evitar o problema de associação de contrapartidas de baixas energias. De fato, cerca de 25% das fontes listadas no último catálogo do Fermi-LAT não possuem uma contrapartida óbvia em baixas energias. Para lidar com esse problema, nós trabalhamos com três métodos distintos de identificação de contrapartidas. Primeiro, usamos correlações entre cores no infravermelho e emissão de raios gama para melhor caracterizar os candidatos a contrapartida de blazares do Fermi-LAT. Nós então desenvolvemos um método estatístico alternativo de associação de contrapartidas, onde levamos em conta cores no infravermelho e o comportamento no rádio das possíveis contrapartidas de fontes de raios gama. Por último, realizamos uma busca direta por candidatos a contrapartidas de blazares através de observações espectroscópicas de algumas dezenas de alvos. Os resultados de nossa busca se demonstraram muito promissores, principalmente na associação e seleção de alvos para futuras missões de varredura espectroscópica do céu de altas energias.