L'avènement des télescopes de classe de 30 à40 m va permettre l'étude de la formation et l'évolution des galaxies primordiales de l'univers. Le concept d'optique adaptative multi-objet (MOAO) a alors été proposé pour la conception des futurs spectrographes de l'E-ELT. Cette technique repose sur un contrôle en boucle ouverte du miroir déformable, et sur la reconstruction tomographique du front d'onde dans les directions d'intérèts. La MOAO a donc besoin d'être validée sur le ciel, c'est le rôle du démonstrateur CANARY. Cet instrument est doté de voies d'analyse du front d'onde sur des étoiles guides naturelles et lasers. À partir des mesures de ces analyseurs, l'algorithme Learn&Apply estime les mesures d'un analyseur sur l'axe, communément appelé le Truth Sensor, pour piloter le miroir déformable de CANARY. Le but de l'expérience est alors de démontrer la faisabilité technique de la MOAO, et de chiffrer les performances de CANARY sur le ciel. Cette thèse a pour but de donner des éléments de réponse aux interrogations actuelles concernant la MOAO. Ce manuscrit donne une extension et une analyse détaillée de la synthèse du reconstructeur tomographique avec étoiles lasers. La modélisation complète d'un système MOAO y est discutée et validée. La thèse a consisté à recueillir des données sur le ciel de CANARY au WHT, puis à les exploiter pour évaluer les performances de la MOAO sur le ciel. Une analyse statistique de la profilométrie de la turbulence et des performances est discutée, notamment pour évaluer l'impact de la tomographie et des étoiles lasers.

Le télescope ANTARES, grâce auquel j'ai réalisé mon travail de thèse, permet d'étendre notre observation de l'univers au travers des neutrinos. Celui-ci est maintenant arrivé au terme de sa construction au large des côtes méditerranéennes à une profondeur de ~2500m et consiste à détecter, par l'intermédiaire de photomultiplicateurs, la lumière Čerenkov produite lors du passage d'un muon (produit de l'interaction neutrino/milieu terrestre par courant chargé) dont la vitesse est supérieur à la vitesse de la lumière dans lemilieu (l'eau). Sa direction reconstruite nous permet alors d'en déduire son origine. Nous sommes actuellement à 12 lignes déployées et connectées sur le site depuis la fin Mai 2008 avec lesquelles un très grand nombre de muons ont déjà été collectés. Chaque ligne verticale possède une batterie de 25 étages équipés chacun de trois PMTs avec l'électronique associée. Ma thèse a donc consisté à calibrer, avant le déploiement de chaque ligne, les photomultiplicateurs en temps et en charge afin d'en extraire les données nécessaires à la reconstruction et l'identification de traces de muons montants ou descendants (d'origine astrophysique ou atmosphérique). Ainsi, c'est grâce aux informations directionnelles que la détection indirecte de matière noire devient possible dans le cas par exemple de son auto-annihilation au sein du Soleil.

Les succès des récentes mesures des anisotropies en température et en polarisation du spectre du fond diffus cosmologique (CMB), notamment par les satellites WMAP et bientôt PLANCK, ont considérablement transformé les perspectives en cosmologie. Sur le plan scientifique, celles ci viennent fortement confirmer le scénario du Big Bang et ont contribué à établir un modèle standard de la Cosmolgie appelé ΛCDM. Les efforts sont aujourd'hui portés sur la polarisation de ce rayonnement. En effet pendant une période inflationnaire où l'univers aurait subi une expansion accélérée, un mode particulier de polarisation du CMB appelé mode B aurait été généré par des ondes gravitationnelles primordiales. La mesure de ces modes B primordiaux pousse les contraintes instrumentales de 3 à 5 ordres de grandeur. Leur détection éventuelle fait du CMB un enjeu pour la physique fondamentale en tant que preuve indirecte de l'existence des ondes gravitationnelles, tout en nous offrant une fenêtre unique et riche en information sur les tout premiers instants de l'Univers. Mon travail de thèse aborde cette problématique au niveau instrumental. Les détecteurs utilisés sont aujourd'hui en dessous du bruit lié à la statistique d'arrivée des photons. Le seul moyen d'améliorer la sensibilité est donc d'augmenter soit le temps d'observation, soit le nombre de détecteurs, en prenant soin de réduire au maximum les sources d'erreurs systématiques. Une des solutions les plus prometteuses est le développement de la technologie supraconductrice. Cette dernière offre une réponse à ces deux problèmes : - Une facilité de réalisation en matrice en utilisant des techniques de micro-fabrication. - La possibilité d'utiliser une contre-réaction négative afin d'améliorer l'uniformisation de leur réponse et ainsi réduire les effets systématiques.

Diffusive shock acceleration operating at expanding supernova remnant shells is by far the most popular model for the origin of galactic cosmic rays. Despite the general consensus received by the model, an unambiguous and conclusive proof of the supernova remnant hypothesis is still missing. In this context, the recent developments in gamma ray astronomy provide us with precious insights into the problem of the origin of galactic cosmic rays, since production of gamma rays is expected both during the acceleration of cosmic rays at supernova remnant shocks and during their subsequent propagation in the interstellar medium. In particular, the recent detection of a number of supernova remnants at TeV energies nicely fits with the model, but it still does not constitute a conclusive proof of it, mainly due to the difficulty of disentangling the hadronic and leptonic contributions to the observed gamma ray emission. The main goal of my research is to search for an unambiguous and conclusive observational test for proving (or disproving) the idea that supernova remnants are the sources of galactic cosmic rays with energies up to (at least) the cosmic ray knee. Our present comprehension of the mechanisms of particle acceleration at shocks and of the propagation of cosmic rays in turbulent magnetic fields encourages beliefs that such a conclusive test might come from future observations of supernova remnants and of the Galaxy in the almost unexplored domain of multi-TeV gamma rays.

Le rayonnement cosmique galactique nucléaire est composé de noyaux de différentes espèces et ses sources sont encore mal identifiées. Cette méconnaissance est en partie due au caractère diffusif de la propagation des noyaux dans les champs magnétiques dont la composante turbulente supprime toute information sur la position des sources. Dans le rayonnement cosmique, on distingue les noyaux pri- maires qui sont principalement créés puis accélérés près de leurs sources des noyaux secondaires, uniquement créés par spallation des primaires plus lourds. La mesure des rapports d'abondance se- condaire sur primaire permet d'étudier les processus de propagation et donc de remonter aux méca- nisme sources du rayonnement cosmique. Cette étude apporte de plus une meilleure compréhension de l'environnement astrophysique galactique. Ce travail nécessite une très bonne connaissance des sections efficaces d'interaction du rayonnement cosmique dans le milieu interstellaire qui régissent la modification des abondances lors de la propagation. La première partie de cette thèse est dédiée à la contrainte des paramètres de propagation du rayonnement cosmique galactique via l'étude des abondances des éléments du quartet (1H,2H,3He,4He). À partir d'une nouvelle estimation des sections efficaces, une analyse statistique a permis de démontrer le potentiel de ces éléments pour contraindre les modèles de propagation du rayonnement cosmique. Ces contraintes restent cependant limitées par la précision statistique des mesures actuelles et justifient la mise en œuvre de nouvelles expériences. La deuxième partie de cette thèse est dédiée à la mesure des abondances avec l'expérience CREAM, une expérience embarquée en ballon. Cette mesure nécessite l'identification des éléments dans le dé- tecteur, le calcul des efficacités des sous-détecteurs, la déconvolution des effets dus aux erreurs sur la mesure de l'énergie ainsi que la prise en compte des effets atmosphériques. Cette analyse des données du 3ième vol de CREAM a permis une estimation des abondances des éléments bore, carbone, azote et oxygène.

Le télescope à neutrinos ANTARES est situé à 2500 mètres de profondeur, et est composé d'un réseau de 900 photomultiplicateurs installés pour la détection de la lumière Cherenkov émise par des muons, induits par l'interaction de neutrinos avec la matière, et dans le but de reconstruire leur direction. Cependant en outre d'être en mesure de détecter des neutrinos de hautes énergies, les télescope à neutrinos pourraient mesurer le passage de monopôles magnétiques dans le détecteur. Dans ce travail, ont été présentées tout d'abord les différentes méthodes d'étalonnage utilisées afin de caractériser les photomultiplicateurs, qui sont le cœur d'un télescope à neutrinos. La possibilité de détecter des monopôles magnétiques avec ANTARES a ensuite été abordée, puis une première analyse optimisée pour la recherche de monopôles de hautes vitesses a montré la grande sensibilité offerte par le télescope. Enfin, un algorithme de reconstruction de traces a été modifié, et une nouvelle analyse cette fois sensible sur une plus grande gamme de vitesse a été effectuée. Après l'application de la dernière analyse sur les données prises en 2008 par le télescope ANTARES, de nouvelles limites supérieures sur le flux de monopôles magnétiques ascendants de masse inférieure 'a 1014 GeV ont finalement été obtenues, et sont les meilleures contraintes expérimentales sur leur flux pour la région de vitesse β " [0.625, 0.995].

L'objectif de cette thèse est la recherche des neutrinos cosmiques de haute énergie émis par des sources ponctuelles avec le télescope á neutrino ANTARES. La détection des neutrinos cosmiques de haute énergie peut apporter des réponses à des problèmes importants comme l'origine des rayons cosmiques et les procédures d'émission des rayons $\gamma$. Dans la première partie de la thèse, le flux des neutrinos émis par des sources galactiques et extragalactiques et le nombre des événements qui peut être détecté par ANTARES sont estimés. Cette étude utilise les spectres des rayons $\gamma$ des sources connues en tenant compte de l'absorption de ces rayons par la lumière extragalactique diffuse. Dans la deuxième partie de la thèse, le pointage absolu du télescope ANTARES est étudié. Étant situé à une profondeur de 2475 m dans l'eau de mer, l'orientation du détecteur est déterminée par un système de positionnement acoustique qui utilise des ondes de basse et haute fréquences entre la surface de la mer et le fond. La troisième partie de la thèse est la recherche des sources ponctuelles de neutrinos avec les données d'ANTARES. L'algorithme de recherche est basé sur une méthode de maximisation du rapport de vraisemblance. Il est utilisé dans deux stratégies de recherche; ''la stratégie de recherche avec des sources candidates'' et ''la stratégie de recherche dans tout le ciel''. L'analyse des données de 2007+2008 n'a pas marqué une découverte. Les meilleures limites supérieures au monde sur les flux de neutrinos provenant des différentes sources dans l'Hémisphère Sud sont établies.

Le télescope ANTARES pour detecter les neutrinos de haute énergie est un réseau tridimensionnel de photomultiplicateurs répartis sur 12 lignes, installés sur le fond marin de la Méditerranée. Le détecteur a été utilisé dans des configurations partielles depuis Mars 2006 et le déploiement a été achevée en mai 2008. Le principal objectif de l'expérience est la recherche de neutrinos de haute énergie à partir de sources astrophysiques . Un télescope à neutrinos dans l'hémisphère Nord inclut le centre galactique dans son champ de vision et il peut être considéré comme complémentaire au télescope IceCube en Antarctique. Le détecteur est optimisée pour la détection de neutrinos muoniques, au delà de la seuile de 1 TeV et en détectant les muons issus des interactions, particules chargées qui peuvent voyager kilomètres et sont presque colinéaires avec les neutrinos originaires. Les neutrinos de haute énergie peuvent avoir différentes origines : ils pourraient être créés lors de l'interaction des rayons cosmiques énergétiques élevés avec le CMB ou dans des phénomènes cosmologiques tels que restes de supernovae ou AGN. Il y a d'autres sources possibles en raison de nouvelles théories dans le domaine de la physique au-delà du Modèle Standard. Dans ma troisième année de thèse, j'ai effectué la recherche pour des neutrinos muoniques extraterrestres d'énergie ultra-haute (dans la gamme dynamique de 100 PeV - 10 EEV) issus de sources non résolues . Si la sensibilité des techniques de recherche de sources ponctuelles est trop petit à détecter flux de neutrinos de corps célestes individuels, il est possible que les sources ensemble pourraient produire un excès d'événements au cours du fond de neutrinos atmosphériques et reconnaissable comme un signal UHE. La sensibilité du détecteur de neutrinos ANTARES à diffuser est évaluée à partir de simulations MonteCarlo, une production dédiée à la gamme d'énergies écrit ci-dessus. L'absorption des neutrinos par la Terre pour des énergies supérieures que PeV avait été prise en compte, de sorte que la recherche de l' astrophysique signal est limitée près de l'horizon. Dans cette zone angulaire la plus sévère source de fond sont les neutrinos atmosphériques , mais aussi les muons atmospheriques qui même très réduites en nombre, peuvent feindre un signal cosmique. Sachant que les événements UHE déposent une grande quantité de lumière dans le détecteur , six des variables de ce type ont été choisies et ensuite une combinaison d'entre eux a été utilisés pour discriminer le signal du fond. J'ai pris en compte les différentes configurations de détection du Dec. 2008 à Décembre 2011 lors de l'analyse des données , avec une durée de vie équivalente de 800 jours. Les résultats sont représentés et la limite supérieure de flux diffus de neutrinos va être estimé, compte tenu de différents types de flux de UHE astrophysique sources d'accélération , comme AGN , un Waxman - Bahcall comme spectre ou un modèle de GZK coupure , dans le scénario de neutrinos cosmologique.

L'un des problèmes les plus intéressants de la physique moderne est celui de la matière noire de l'Univers, qui reste de nature insaisissable. L'existence de la matière noire est inférée par des preuves indirectes telles que les mesures des courbes de rotation des galaxies, des dispersions de vitesse des galaxies dans les amas galactiques et les effets de lentille gravitationnelle. Ces observations fournissent des preuves sur l'existence d'une matière invisible dominant notre Univers. Il n'existe cependant aucune indication claire sur sa nature. Les observations actuelles en font le constituant dominant de l'Univers, par opposition à la matière baryonique "normale". Deux solutions sont proposées pour résoudre ce mystère. La première est basée sur une modification de la loi de la gravité comme dans la dynamique newtonienne modifiée qui pourrait expliquer les divergences entre prédictions et observations de la dynamique des masses dans l'Univers. L'autre idée consiste à proposer l'existence d'une nouvelle particule massive qui n'interagit pas avec la lumière (appelée WIMP pour "Weakly Interactive Massive Particle"), mais pouvant influencer la matière lumineuse par gravité. Plusieurs théories proposent l'existence de telles nouvelles particules. La plus célèbre de ces théories est la supersymétrie, qui est une extension du Modèle Standard de la Physique des Particules. Si l'un des partenaires supersymétriques des bosons neutres est une particule stable et le plus léger de tous les superpartenaires, il devient alors un candidat idéal pour la matière noire. La supersymétrie est en général le cadre le plus favorable pour l'existence de la matière noire.

Mes recherches ont eu pour but principal de trouver des signatures astrophysiques des trous noirs dans les systemes binaires d'étoiles. Comme je le montre dans ce mémoire, les astronomies X et γ semblent bien adaptées pour ces recherches. J'ai donc participé à la définition d'instruments X et γ, tout d'abord dans le cadre de la mission franco-russe Granat/Sigma puis dans celui de la mission de l'Agence Spatiale Européenne Integral. Mon rôle y a été de modéliser aussi précisément que possible la réponse des instruments, grâce à des simulations Monte-Carlo. Dans le cadre de la mission Integral, j'ai aussi contribué à définir et à réaliser les étalonnages au sol du satellite complet (étalonnage " end to end "), et à réaliser avec mon étudiant, Michaël Forot, le logiciel pour traiter les données dites " Compton " du télescope Integral/Ibis. Ces études nous ont permis, mon collègue Olivier Limousin et moi, de déposer un brevet sur une nouvelle γ-caméra permettant l'imagerie 3D de sources radioactives. Grâce aux données γ récoltées par Sigma et Integral, j'ai étudié, avec Marion Cadolle- Bel, les systèmes binaires contenant un trou noir de masse stellaire. Celui-ci accréte la matière de l'étoile compagnon donnant lieu à une émission X et γ, dont le processus d'émission, lié principalement à l'effet Compton sur les électrons chauds du plasma entourant le trou noir, est décrit dans le mémoire. Le résultat majeur de ce travail fut l'observation avec l'observatoire Integral du candidat trou noir, Cygnus X-1, en particulier lors d'un changement d'état en juin 2003 et lors de son éruption de septembre 2006. Enfin, j'ai modélisé la signature X/γ de trous noirs, comme il est décrit au chapitre 4. Cette modélisation s'est faite grâce à un modèle que j'ai développé avec Lev Titarchuk, modèle qui montre que le spectre observé de candidat trou noir peut être expliqué en considérant des photons X faisant un effet Compton inverse sur les électrons tombant en chute libre dans le trou noir. Ce modèle original, basé sur des simulations Monte-Carlo en Relativité Générale, a fait l'objet de plusieurs publications. Nous avons aussi étudié l'élargissement de la raie du fer, une autre signature très connue des trous noirs dans le domaine des X mous. Nous avons montré que cet élargissement pourrait être plutôt dû à la propagation des photons de fluorescence dans un vent, ce qui ne nécessiterait pas la présence d'un trou noir. Cet élargissement pourrait donc être une signature de trous noirs controversée. Dans les années à venir, je continuerai la définition de télescopes nouveaux, en particulier en optimisant les performances du projet d'astronomie spatiale Simbol-X. Ce projet prévoit, par le moyen de deux satellites en formation, d'étendre la technique de focalisation par incidence rasante aux rayons X durs afin d'étudier les phénomènes non thermiques de notre Univers. Je superviserai aussi la conception et la réalisation de l'anticoïncidence de Simbol-X, afin d'obtenir un bruit de fond sur les détecteurs aussi faible que possible. Notre expérience sur Simbol-X pourra aussi nous servir, de manière plus générale, de support aux développements de futures missions X et γ, comme par exemple l'observatoire IXO prévu par la NASA et l'ESA. Les futures observations Integral, d'un autre coté, me permettront d'observer les trous noirs accrétants au MeV, et potentiellement, grâce au mode Compton, de mesurer leur état de polarisation, ce qui n'a encore jamais été fait dans cette gamme d'énergie. Enfin, nous développons avec L. Titarchuk un modèle de création de paires électrons-positrons au voisinage d'un trou noir, qui aura de nombreuses conséquences observationnelles qu'il nous faudra étudier.