Le contexte des travaux présentés dans le cadre de cette habilitation à diriger les recherches est celui des environnements plasma planétaires. Je m'attache à montrer comment, par une analyse combinée d'observations in-situ, de simulations numériques et de traitement statistique, on peut dégager des scénarios cohérents de l'évolution de ces milieux. J'aborde ainsi trois domaines d'application distincts. Tout d'abord, à la suite de mes travaux de thèse, un modèle d'accélération de particules dans les plasmas fortement magnétisés et non-homogènes est présenté, avec une application aux régions aurorales terrestres. Je montre ensuite diverses approches, analytiques et numériques, visant à affiner notre compréhension des mesures instrumentales de plasma de basses énergies. Enfin, j'expose des travaux récents concernant la dynamique des magnétogaines planétaires à partir de l'analyse de fluctuations caractéristiques de cet environnement, les modes miroir. Je conclue enfin par la présentation des perspectives de ces travaux ainsi que celles offertes par les outils d'analyse développés ces dernières années au Centre de Données de la Physique des Plasmas.

Les satellites scientifiques sont immergés dans divers environnements spatiaux, entourés par des plasmas qu'ils sont supposés analyser, en utilisant des instruments de types détecteurs de particules. La présence de ces structures dans le plasma conduit à une variété d'interactions satellite/plasma complexes et inter-corrélées. L'environnement spatial influence la structure du satellite qui modifie son environnement. Les instruments embarqués mesurent un environnement perturbé et il est difficile de distinguer le signal naturel des mesures biaisées. Le but est d'étudier et d'améliorer la compréhension des interactions satellite/plasma, au moyen de simulations numériques effectuées avec le logiciel SPIS pour les basses énergies (<100 eV) puisque ces particules sont les plus affectées par les perturbations. L'objectif est de comprendre les mesures de plasmas sur des cas réalistes, en établissant une méthodologie de simulation de ces problématiques. Je simule les interactions ayant lieu entre les missions Solar Probe Plus, Solar Orbiter, Cluster dans leurs environnements respectifs et les mesures associées. L'analyse des résultats obtenus et leurs comparaisons à des données réelles permettent de comprendre les différents cas de figure et de valider la méthodologie développée au cours de cette thèse.

Les nuages magnétiques ("Magnetic Clouds ", MCs) sont assimilés à des structures helicoïdales à grande échelle interagissant avec le milieu interplanétaire au cours de leur propagation. McComas et al. (1988), suivi par Dasso et al. (2006), ont envisagé la reconnexion magnétique comme processus pouvant graduellement éroder la structure externe des éjections de masse coronale interplanétaires. Ce processus d'érosion est le sujet central de cette thèse. Tout d'abord, nous confirmons l'existence de l'érosion d'un nuage magnétique grâce à une étude multi-satellites combinant un ensemble de signatures clés. Après avoir déterminé l'orientation des axes du MC par différentes méthodes, nous estimons le taux de flux magnétique érodé en analysant les variations du flux magnétique azimutal du MC. Nous démontrons aussi la présence de signatures de reconnexion magnétique à la frontière avant du MC, tel qu'attendue. Finalement, nous étudions les caractéristiques de la distribution en angle d'attaque des électrons suprathermiques dans la région arrière du MC. Ces électrons indiquent des modifications topologiques à grande échelle, attendues du processus d'érosion. Dans une seconde partie, une analyse statistique de tous les nuages magnétiques observés au cours de la période 1995-2008 est réalisée dans le but de quantifier ce processus. Nous montrons que ce processus est récurrent : l'érosion est relevée à l'avant et à l'arrière dans les mêmes proportions. Cela est confirmé par l'étude statistique des jets de plasma aux frontières, qui démontre indépendamment la fréquence élevée du processus d'érosion. Dans une dernière partie, parce que le mécanisme d'érosion est susceptible de supprimer une partie de flux magnétique orienté vers le Sud d'un MC, à l'avant ou à l'arrière, nous étudions l'impact potentiel de l'érosion sur la géo-efficacité résultante, en utilisant un modèle de MC combiné à un modèle empirique de l'intensité du courant annulaire terrestre. Nous modélisons aussi l'évolution radiale de ce processus. Nous concluons que la majeure partie de l'érosion se produit à l'intérieur de l'orbite de Mercure.

Les supernovas gravitationnelles sont un sujet d'étude passionnant, aussi bien par la diversité et la richesse de la physique mise en jeu que par l'émerveillement que peut exercer l'apparition d'un nouvel objet brillant dans le ciel. Les supernovas incitent les chercheurs aussi bien que les profanes au rêve et à l'imagination. Cette thèse traite des simulations numériques des supernovas gravitationnelles, et en particulier du problème du transport des neutrinos. Les neutrinos jouent un rôle crucial dans le chauffage et le refroidissement de la matière, et donc dans l'explosion d'une supernova. Leur implémentation numérique est difficile, à cause des connaissances très détaillées nécessaires pour le traitement des interactions, mais surtout à cause de la très grande exigence en temps de calcul des équations à résoudre. Après une première partie sur le contexte physique dans lequel se trouvent les supernovas gravitationnelles actuellement, je fais le point sur leur traitement numérique, avec un accent sur les méthodes numériques présentes dans le code que j'ai utilisé tout au long de ma thèse, le code CoCoNuT. Pour le traitement des neutrinos, deux pistes sont proposées. La troisième partie de cette thèse propose de fortement simplifier le traitement des neutrinos. C'est ce qui est fait dans l'implémentation du schéma de fuite, que j'ai pu par la suite utiliser pour étudier la formation de trous noirs. Dans cette optique, je montre l'influence de l'ajout de particules exotiques (pions et hypérons) sur la formation du trou noir. La présence de pions ou d'hypérons déclenche l'effondrement plus vite que dans les simulations où leur présence n'est pas prise en compte. De plus, les hypérons présentent une transition de phase, intéressante à étudier, par exemple pour la contrepartie en ondes gravitationnelles. La deuxième piste proposée pour le traitement des neutrinos est la résolution de l'équation de Boltzmann en relativité générale. La dérivation de cette équation dans le cadre de la relativité générale, et plus précisément en formalisme 3+1, fait l'objet de la quatrième partie de cette thèse. Enfin, la cinquième partie de cette thèse introduit un nouveau code de résolution numérique de l'équation de Boltzmann. Je montre d'une part les méthodes utilisées, et d'autre part des tests numériques, qui valident le bon fonctionnement du code.

Le LAT est l'instrument principal du satellite Fermi et permet d'étudier le ciel en rayons gamma de 20 MeV à plus de 300 GeV. Sa sensibilité accrue a permis l'augmentation du nombre de sources détectées dans le domaine des hautes énergies. Une partie importante de celles-ci n'a pas de contrepartie connue et une étude multi-longueur d'onde est nécessaire afin de comprendre l'origine du signal observé. Dans un premier temps, cette thèse présente l'étude morphologique et spectrale détaillée de la source non-identifiée HESS J1745--303, qui a été découverte dans le domaine gamma par l'expérience H.E.S.S. en 2006 puis analysée spécifiquement dans un article de 2008, à l'aide des données du LAT. Deux sources ponctuelles situées à une localisation proche de HESS J1745--303 sont présentes dans le catalogue à deux ans de données de Fermi (2FGL) mais une analyse dédiée de cette région est néanmoins nécessaire vu sa complexité. Elle est en effet localisée à ~1° du Centre Galactique et à moins de 0.5° du pulsar de la Souris, les deux sources les plus brillantes en gamma dans cette région. Les différents processus d'émission de photons sont présentés dans un second temps. Leurs simulations permettent d'effectuer une étude approfondie de l'origine de l'émission détectée aux hautes et très hautes énergies par le LAT et par H.E.S.S. L'émission de cette source reste en effet encore énigmatique de nos jours et une étude multi-longueur d'onde est effectuée afin de contraindre les modèles d'émission.

Un disque de débris autour d'une étoile de la séquence principale est composé de planétésimaux, reste de la formation des planètes selon la théorie core-accretion. Dans le Système solaire, il s'agit de la ceinture d'astéroïdes et de la ceinture de Kuiper. Autour des autres étoiles, les disques de débris sont observables s'ils sont assez massifs pour que les collisions entre planétésimaux produisent continûment assez de poussière détectable en émission thermique dans l'infrarouge lointain ou en lumière diffusée dans le visible. Dans cette thèse, nous étudions la purge (stripping), l'excitation dynamique, et la structuration d'un disque soumis à une interaction gravitationnelle avec une planète à l'intérieur du système, un compagnon stellaire dans un système binaire, et une étoile de passage dans l'environnement dense d'un amas ouvert pendant 100 millions d'années après la naissance de l'étoile. Nous avons abordé ces problèmes par la simulation de la dynamique d'un disque de planétésimaux dans ces différentes conditions. Enfin, nous avons mené une étude pour déterminer les caractéristiques de la population de disques de débris autour des étoiles de différents types stellaires à l'aide du modèle d'évolution collisionnelle standard, de nos résultats sur l'excitation dynamique des disques et des données des relevés Spitzer. Ainsi, nous montrons que la quasi-absence des disques de débris observée autour des étoiles de faibles masses de type stellaire M peut être expliquée par des planétésimaux au moins 10 fois plus petits en taille que ceux autour des étoiles de type solaire ou plus massives.

Je donne ici un résumé de mes activités de recherche en cosmologie physique, couvrant principalement les thèmes de l'énergie sombre révélée par les grandes structures cosmiques, l'origine des champs magnétiques aux très grandes échelles, et les possibilités de sonder l'histoire de la réionisation par les corrélations croisées du fond diffus cosmologique et de la raie à 21cm de l'hydrogène décalée vers le rouge.

La quête des modes B de polarisation du fond diffus cosmologique est aujourd'hui un des enjeux scientifiques majeurs de la cosmologie observationnelle. Observer les modes B constituerait une sonde directe de la période d'inflation. La détection de ce signal, attendu à un niveau très faible, représente un défi technologique. Il nécessite non seulement une sensibilité importante, mais aussi une soustraction des signaux d'avant-plans et un très bon contrôle des effets systématiques. Dans ce but, un important travail expérimental est en cours. L'instrument QUBIC est une des expériences dédiées à la détection des modes B. Il est basé sur une technologie novatrice : l'interférométrie bolométrique, qui permet de réunir les avantages d'un imageur en terme de sensibilité et ceux d'un interféromètre en terme de contrôle des effets systématiques. Dans ce manuscrit, nous expliquerons le concept de l'instrument et nous décrirons ses composantes. Nous nous concentrerons sur le combineur optique de l'instrument dont nous expliciterons le rôle et nous présenterons une méthode développée afin d'étudier l'impact des aberrations optiques et des désalignements des composantes du combineur sur la sensibilité globale de l'instrument. Nous introduirons une procédure de calibration spécifique à l'interférométrie bolométrique basée sur la redondance des lignes de base : la self-calibration. Cette méthode permet de calibrer les paramètres qui caractérisent complètement l'instrument simultanément et pour chaque canal cornet-bolomètre-pointage. Finalement, nous présenterons les dernières avancées des simulations sur la fabrication des cartes avec l'instrument QUBIC et sur l'estimation des spectres de puissance.

Le travail de ma thèse s'est concentré sur l'extraction du signal laissé par les BAO dans la distribution des galaxies. Celui se présente sous forme d'un pic autour de 150 Mpc dans la fonction de corrélation à deux point de la matière. Cette échelle correspond à la distance parcourue par l'onde acoustique dans le fuide matière-radiation entre la période d'égalité matière-radiation et leur découplage à z ∼ 1100. Il en résulte une sur-densité à cette échelle autour de chaque perturbation primordiale. Le but de mon travail était d'efectuer une analyse complète sur les données prises par la collaboration SDSS III/BOSS jusqu'à l'été 2011 afin d'apporter des contraintes sur les paramètres caractérisant l'énergie noire, w0 et wa . On veut savoir si ces observations sont consistantes avec la fameuse constante cosmologique (w0 = 1 et wa = 0) ou si l'équation d'état de l'énergie noire évolue avec le temps (wa ̸= 0) impliquant alors des scénarios bien plus complexes pour cette composante. Pour y arriver, j'ai étudié et testé les outils d'analyse avec des simulations log-normal ainsi qu'avec les données publiques du DR7 de SDSS. J'ai étudié les effets de distorsion des redshifts dans le régime linéaire avec des simulations et j'ai développé une méthode d'optimisation d'estimateur de fonction de corrélation. Dans un second temps j'ai réalisé l'analyse complète des données BOSS-CMASS, qui utilise les galaxies elliptiques très lumineuses (LRGs), depuis la construction du catalogue jusqu'à l'obtention des contraintes cosmologique en passant par la correction des effets systématiques.

Les supernovae de type Ia (SNe Ia) sont de puissants indicateurs de distance cosmologique. Elles sont à l'origine de la découverte de l'énergie noire dans l'univers et restent aujourd'hui la meilleure méthode pour contraindre son équation d'état. Cependant, nous ignorons toujours le phénomène exact donnant naissance à ces supernovae. Notamment, nous ne connaissons pas l'influence de l'évolution des paramètres stellaires avec le redshift sur la luminosité de ces objets et donc sur les ajustements cosmologiques. De récentes études ont mis en évidence évidence des biais environnementaux ayant un impact significatif sur les mesures des paramètres cosmologiques. Cependant, ces études analysent les hôtes des SNe Ia dans leur globalité en négligeant les variations pourtant connues des propriétés stellaires et gazeuses au sein de ces galaxies. ! Dans cette thèse je montre comment les données de spectrographie à champ intégral de la collaboration The Nearby Supernova Factory permettent l'étude de l'environnement immédiat (~kpc) de la SNe Ia. Dans une première partie, j'introduis les bases physiques et le contexte scientifique dans lesquels ma thèse s'inscrit. Dans la seconde partie, je commence par détailler les techniques d'extraction des données environnementales locales et, une fois ces données extraites, je développe la mesure du taux de formation stellaire environnant les SNe Ia à partir du signal Hα. Dans mon analyse, je montre comment les propriétés des SNe Ia, et notamment leur luminosité standardisée, dépendent de la présence de formation stellaire à proximité. Ce biais, duquel découlent les biais environnementaux précédemment évoqués, a un impact significatif sur la cosmologie. En se basant sur les évolutions des propriétés stellaires des galaxies, je construit un modèle d'évolution de la luminosité moyenne des SNe Ia en fonction du redshift pour estimer cet impact; les données de la littérature semblent confirmer mes hypothèses. Ces résultats ont été publiés dans le journal européen Astronomy & Astrophysics (Rigault et al. 2013). Dans une troisième partie, je présente des analyses supplémentaires sur l'environnement local des SNe Ia et je suggère de nouvelles approches. ! Cette thèse a mis en évidence un biais environnemental important sur les propriétés des SNe Ia que seule l'analyse locale permet d'aborder. Cette découverte est une étape importante dans la compréhension de ces objets et dans l'amélioration de leur utilisation cosmologique.