Les résultats des observations cosmologiques réalisées à la charnière du siècle (SN1A, CMB, BAO) montrent que contrairement aux prévisions du modèle standard, l'expansion de l'Univers est actuellement en train de s'accélérer. Pour rendre compte de ce phénomène, un composant inconnu dénommé "énergie noire" (Dark Energy) a été introduit soit directement comme un fluide de pression négative, soit indirectement en modifiant la Relativité générale. Après avoir présenté le cadre général de la description de l'Univers, ainsi que le modèle cosmologique standard actuellement accepté, la présente thèse étudie les interactions possibles entre l'énergie noire et une éventuelle courbure de l'espace, en s'intéressant plus particulièrement aux cas où l'incertitude sur la courbure peut falsifier la nature "fantôme" de cette énergie noire. Dans un deuxième temps, la possibilité d'obtenir un comportement de type énergie noire au moyen d'une modification de la Relativité générale est abordée en faisant appel aux théories scalaire-tenseur. Les conditions générales de viabilité de ces théories sont présentées, ainsi que les conditions d'existence d'énergie noire, normale et fantôme. Enfin la possibilité de mettre en évidence cette énergie noire d'origine scalaire-tenseur par des mesures dans le Système solaire est étudiée en utilisant le formalisme de l'analyse post-newtonienne paramétrée. / The results of the cosmological observations at the turn of the century (SN1a, CMB, BAO) show that, in contrast to the predictions of the standard model, the Universe expansion is presently accelerating. To account for this fact, an unknown component dubbed "dark energy" was introduced either directly as a fluid with negative pressure, or indirectly as a modification of General Relativity.After the presentation of the general frame of the Universe description, and of the presently accepted cosmological standard model, we study the interactions between dark energy and a possible spatial curvature, with special attention to the cases where the curvature uncertainty may falsify the phantom nature of dark energy. In a second step we consider a modification of General Relativity, the Scalar-Tensor theories, as a way to generate dark energy. The general viability conditions for these theories are presented, as well as the conditions for the presence of normal and phantom dark energy. In particular we study the possibility to detect this Scalar-Tensor dark energy with measurements within the Solar System using the Parametrised Post-Newtonian formalism.

L’un des plus grands défis de la cosmologie moderne est d’expliquer l’accélération de l’expansion de l’univers dans son histoire récente. La découverte de cette accélération s’est faite grâce à des mesures de supernovae, ces dernières restant les sondes les plus puissantes pour charactériser cette accélération. Cette thèse vise à présenter l’analyse finale du Supernova Legacy Survey (SNLS) qui sera publiée en 2015. Nous commençons par présenter les fondements théoriques de la cosmologie moderne, en nous focalisant en particulier sur les défis théoriques que présente cette accélération. Nous introduisont ensuite les supernovae de type Ia (SNIa) et justifions leur usage en tant que sonde cosmologique. Par la suite, nous donnons un aperçu global de l’expérience SNLS. Nous abordons alors les aspects techniques de l’analyse. Nous commençons par l’exploration du processus de photométrie, utilisé pour la mesure des supernovae. Nous détaillons alors la nouvelle méthode de photométrie implémentée par SNLS qui évite le rééchantillonnage des images. Nous explorons aussi les simulations mise en œuvre dans le but de garantir la linéarité de la méthode au dessous de 1 pour mille. Nous explorons ensuite la procédure de calibration associée à ces mesures utilisant des étoiles de champ dont la précision de calibration atteint les 3.5 pour mille. Enfin, nous terminons avec une description détaillée de la mise en oeuvre de tous les outils présentés, afin d’extraire des paramètres cosmologiques des données. Afin d’estimer la capacité de SNLS à contraindre les paramètres cosmologiques, nous contruisons un diagramme de Hubble grâce à une analyse préliminaire des données incluant 960 supernovae, dont 450 provenant du SNLS. La combinaison de ce diagramme de Hubble avec des contraintes apportées d’autres sondes cosmologiques mène à une incertitude sur le paramètre de l’équation d’état de l’énergie noire de 0.048, la mesure la plus précise jusqu’à nos jours. / A significant open question of modern cosmology is explaining the accelerated expansion of the universe in late times. The discovery of this acceleration was made using supernova measurements, which continue to be the most significant probe with which to characterize this acceleration. This thesis concerns itself with presenting the final analysis of the Supernova Legacy Survey (SNLS) which will be published in 2015. We begin by presenting the theoretical foundations of modern cosmology, with special emphasis on the challenges presented by acceleration. We then introduce type Ia supernovae (SNIa) and motivate their use as probes of cosmic expansion. Afterwards, we give an overview of the SNLS experiment. We then move on to the technical aspects of the analysis that was carried out. We start by exploring the process of photometry, with which supernova measurements are made. Here we look at the newly implemented photometry method that avoids resampling images. We also explore simulations aimed at ensuring the method’s linearity up to less than 1 per mille. We then explain the calibration process associated with these measurements using field stars calibrated up to the 3.5 per mille level. Finally, we end with an in depth look at the cosmology analysis itself, which utilizes all the tools we have explored to extract cosmological parameters from the data. To estimate the constraining power of the SNLS experiment, we undertake a preliminary analysis of the data by constructing a Hubble diagram using 960 supernovae, of which 450 come from the SNLS. Combining this Hubble diagram with constraints from other cosmological probes leads to an uncertainty on the equation of state parameter of dark energy of 0.048, its most preciseconstraint to date.

Cette thèse présente quelques applications des théories alternatives de la gravitation relativiste. Nous étudions en particulier le mouvement à deux corps dans une théorie purement scalaire de la gravitation et la production d'ondes gravitationnelles par les systèmes binaires. Nous obtenons nombre de résultats analytiques et numériques relatifs à ce problème. Nous étudions également en détail la théorie MOND (pour \textit{Modified Newtonian Dynamics}) qui cherche à expliquer, en particulier, les courbes de rotation des galaxies en terme d'une modification des lois de la gravitation, et non à l'aide d'un surplus de matière inconnue et invisible, la matière noire. Cela nécessite de recourir à une théorie qui diffère de la relativité générale au moins dans le régime non-relativiste et des champs faibles, ie. qui ne se réduise pas à la théorie de Newton dans cette limite. La construction d'une telle théorie est l'objet d'une partie de cette thèse. Nous présentons quelques modèles alternatifs à la relativité générale susceptibles de rendre compte de la phénoménologie souhaitée, en proposons de nouveaux, et les analysons en détail à la lumière des contraintes les plus importantes que doit satisfaire toute théorie raisonnable : accord avec l'expérience, stabilité, causalité, localité, en plus d'être naturelle. Nous montrons que des problèmes théoriques imposent de modifier significativement la phénoménologie usuelle de MOND, au moins dans les cadres formels les plus usités. Nous proposons également un modèle de l'anomalie Pioneer, et montrons enfin comment expliquer la vitesse d'échappement à la galaxie sans recours à un quelconque halo de matière noire.

Le SuperNova Legacy Survey (SNLS) est un programme de détection et de suivi photométrique de plusieurs centaines de supernovæ de type Ia (SNe Ia) dont l'objectif est de retracer l'histoire de l'expansion cosmologique afin d'en déduire une caractérisation de la nature de l'énergie noire, c'est-à-dire une mesure de son paramètre d'état wDE. La prise de données du SNLS est arrivée à son terme en juillet 2008 après 5 ans de programme. Le travail réalisé dans le cadre de cette thèse a consisté en l'analyse de ces 5 ans de données SNLS et la photométrie des 419 SNe Ia détectées et spectroscopiquement identifiées. Pour chaque supernova, les courbes de lumière dans les bandes gMrMiMzM sont produites, calibrées et ajustées par un modèle spectrophotométrique. Une nouvelle méthode de photométrie, sans rééchantillonnage des pixels des images, est également implémentée dans le cadre de cette thèse. En préservant les propriétés statistiques des pixels, elle permet de mieux contrôler les incertitudes sur la mesure des flux, et par là même, la précision sur la mesure des paramètres cosmologiques qui s'en déduit. Les performances des deux méthodes sont testées et comparées sur les étoiles de calibration et les supernovae. Si la photométrie sans rééchantillonnage permet une estimation plus exacte des incertitudes de mesure du flux, la précision et la stabilité des deux méthodes sont quant à elles similaires. Un lot de SNe Ia de statistique et de qualité inédites est maintenant disponible pour l'analyse de cosmologie. Avec le complément de supernovæ proches de programmes extérieurs, une contrainte à 5% sur la nature du paramètre d'état de l'énergie noire est donc pour la première fois envisageable.

Le modèle cosmologique standard possède plusieurs lacunes pour une description pertinente de l'évolution de notre univers et de ses constituants. Tout d'abord, il laisse en suspens l'explication de l'origine de la matière noire et de l'énergie sombre. Ces composants, introduits ad hoc afin de satisfaire aux observations, représentent ensemble environ 95% du contenu en énergie de l'univers. Un second problème concerne l'indépendance d'échelle du modèle : quel que soit l'échelle du système considéré, il est attendu une dynamique et une géométrie identiques. Il est possible de se détourner du modèle standard et de s'intéresser à des cosmologies inhomogènes et à leur évolution moyenne. Selon ce formalisme, les inhomogénéités au sein d'une échelle influencent globalement la dynamique de cette dernière par un effet dit de rétroaction. Cette démarche très riche propose également une explication élégante au problème des constituants sombres : tous deux apparaissent comme une manifestation effective des inhomogénéités de distributions de matière et de géométrie. Cette thèse s'intéresse aux propriétés des modèles inhomogènes moyennés en relativité générale. Nous proposons dans un premier temps de décrire le comportement global des inhomogénéités selon une évolution de Chaplygin, et selon une évolution de Ginzburg-Landau. Nous montrons également l'instabilité gravitationnelle globale des solutions de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker. Cette classe de solutions est connue comme étant localement instable sous l'introduction de perturbations ; ici nous montrons qualitativement qu'elle ne fournit pas, en général, une approximation correcte en tant que fond physique. Nous présentons finalement une nouvelle théorie relativiste perturbative, pour laquelle les inhomogénéités scalaires évoluent autour d'un fond général, et non plus autour d'un fond de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker pré-défini. Cette nouvelle étude étend l'applicabilité des cosmologies inhomogènes, et pourrait éventuellement expliquer la formation des grandes structures sans recours à l'énergie noire

Certains aspects de l'extraction du signal cosmologique à 21 cm à partir des observations radio, ainsi que le traitement des données interférométriques pour des observations depuis le sol et depuis l'espace ont été étudiés et sont présentés dans cette thèse. J'ai développé un modèle cohérent et à haute résolution du ciel en radio, qui peut fournir une carte complète et précise du ciel, dans la gamme de fréquence 10 MHz à 2,3 GHz, avec une résolution pouvant atteindre une minute d'arc. Le modèle inclut plusieurs sources de rayonnement diffus, en particulier le synchrotron Galactique, les sources radio brillantes du ciel, ainsi qu'un modèle des sources faibles. J'ai également mis au point une méthode pour extraire le signal 21 cm cosmologique, fortement contaminé par les émissions d'avant-plan et le bruit des récepteurs. La méthode utilise une cascade de deux filtres de Wiener, dans l'espace des fréquences d'abord, et ensuite, dans le domaine angulaire. Le premier filtre exploite les variations lentes des émissions d'avant-plan selon la fréquence, tandis que le second filtre exploite les corrélations angulaires du signal cosmologique pour filtrer le bruit des récepteurs, considéré non corrélé entre deux directions différentes. J'ai développé un nouvel algorithme d'imagerie pour les interféromètres en orbite lunaire. Un tel instrument serait idéal pour cartographier le ciel en dessous de 30 MHz; il ne serait en effet pas soumis aux perturbations ionosphériques et serait protégé des interférences électromagnétiques dues aux émissions terrestres. J'ai montré que l'utilisation de la précession du plan orbital du satellite permet de résoudre le problème de la symétrie miroir. La méthode exploite la relation de projection linéaire entre la carte du ciel et les visibilités mesurées, tant dans l'espace angulaire que dans l'espace des harmoniques sphériques pour reconstruire la carte du ciel. L'algorithme d'imagerie gère la complication due à l'ombre de la Lune se déplaçant avec le temps sur le champ de vue des antennes couvrant tout le ciel. Notons que ces effets ne sont pas pris en charge par les algorithmes d'imagerie existants tels que la W-Projection et la WStacking. Enfin, j'ai effectué une première analyse des données de l'interféromètre de transit PAON-4. J'ai évalué la performance globale du réseau en termes de température de bruit et de la réponse des antennes. J'ai pu étalonner avec succès les visibilités, en déterminant à la fois l'amplitude et la phase des termes de gain complexes, tout en corrigeant les décalages de pointage des antennes de PAON4. J'ai ensuite reconstruit la carte du ciel pour une bande de 10 degrés autour de la déclinaison de la source brillante Cygnus A, à partir du flot de données PAON-4 calibré et nettoyé, en appliquant l'algorithme de décomposition en mode m dans l'espace des harmoniques sphériques. / Some aspects of extracting cosmological 21cm signal from radio observations, as well as processing of interferometric data for ground based or space born instruments have been studied and discussed in this dissertation. I have developed a high-resolution self-consistent radio whole sky model, which provides an accurate full sky maps in the frequency range from 10 MHz to 2.3 GHz, with angular resolution up to 1 arcmin. It includes bright and faint radio sources, Galactic synchrotron and Galactic freefree emissions. I have also developed a method to extract the faint cosmological 21-cm signal, heavily contaminated by foreground emissions and receiver noise. The method uses a cascade of two Wiener filters, in frequency domain and then, in angular domain. The first filter exploits the smoothness of the foreground emissions along the frequency, while the second filter exploits the angular correlations of the cosmological signal, due to the receiver noise is considered to be nearly uncorrelated between different directions. I have developed a studied the performance of a new imaging algorithm for lunar orbit interferometers. Such an instrument would be ideal for mapping the radio sky below 30 MHz, as it would be free from ionospheric perturbations, as well as electromagnetic interferences due to terrestrial emissions. I have shown that we make use of the precession of satellite orbital plane to solve the mirror symmetry problem, and exploit the linear mapping between the sky map and the measured visibilities, both in angular space and spherical harmonic space to reconstruct the sky map. The imaging algorithm handles the time-varying Moon's blockage over the whole sky field of view, which are not handled by existing imaging algorithms such as the WProjection and the W-Stacking. Finally, I have carried out a first analysis of the observational visibility data from the PAON-4 transit interferometer. I have evaluated the overall performance of the array in terms of system temperature and antenna response, and successfully calibrated the visibilities, determining both amplitude and phase of the complex gain terms, while correcting PAON-4 antennae pointing offsets. I have then reconstructed the sky map for a 10 degree strip around Cygnus A declination, from the cleaned calibrated PAON-4 data streams, applying the m-mode decomposition map-making algorithm in spherical harmonic space.

L'accélération de l'expansion de l'Univers est l'un des sujets majeurs de la cosmologie actuelle. Elle pourrait être due à une nouvelle composante, appelée énergie noire, qui représenterait 70% du bilan énergétique de l'Univers. Pour étudier sa nature à travers son équation d'état, on mesure une règle étalon fournie par les oscillations baryoniques acoustiques (BAO) à différentes valeurs de décalage vers le rouge. Cette technique a été utilisée avec succès pour la première fois en 2005 par le projet Sloan Digital Sky Survey (SDSS-II). Depuis, l'observation des BAO a été confirmée en 2012 par le projet BOSS (SDSS-III) puis eBOSS (SDSS-IV), à la fois avec des galaxies et des absorbeurs de la raie à 21 cm révélés dans des spectres de quasar. Notre groupe prépare la prochaine génération d'expériences BAO en participant à la construction du spectrographe du nouveau programme Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI). Ce projet va réaliser un sondage 3D de plusieurs dizaines de millions de galaxies et quasars avec le télescope Mayall de 4m en Arizona (USA). J'ai participé à la mise au point du spectrographe de DESI en collaboration avec notre partenaire industriel (WINLIGHT). J'étais aussi en charge de développer un banc optique dans le but de valider l'alignement des capteurs CCD montés dans les enceintes des cryostats. Des matrices de microlentilles sont utilisées pour projeter très précisément des grilles de spots sur les CCD. En fonction de la distortion observée des grilles, nous sommes capables de déterminer la position des CCD. En parallèle, j'ai développé des algorithmes pour la sélection des quasars cibles, les objets les plus distants qui seront observés par DESI, basée sur leurs propriétés photométriques en exploitant des techniques d'apprentissage supervisé. / The accelerating expansion of the universe is one of the main topics of modern cosmology. It may stem from a new component, so-called dark energy, which would make up 70% of the energy content of the universe. To study its nature through its equation of state, one can measure a standard ruler given by baryonic acoustic oscillations (BAO) at various redshifts or for different slices of the universe. This approach was used successfully for the first time in 2005 by the Sloan Digital Sky Survey (SDSS-II) project. Then, the BAO signal was confirmed in 2012 by the BOSS project (SDSS-III) and then by the eBOSS project (SDSS-IV), both with galaxies and HI absorbers revealed in quasar spectra. Our group is preparing the next generation of BAO experiments by taking part in building the spectrograph of the new Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) program. This project will perform a 3D survey of several tens of millions of galaxies and quasars with the 4-meter Mayall telescope in Arizona (USA). I participated in the adjustments of the spectrograph of DESI in collaboration with our industrial partner (WINLIGHT). I was also in charge of developing an optical bench in order to check the alignment of the CCD sensors mounted within the crysotat vessels. Arrays of microlens are used to project very precisely grids of spots on the CCDs. We are able to infer the position of the CCDs according to the observed distortion of the grids of spots. In parallel, I developped algorithms for the selection of quasar candidates, the more distant objects that will be observed by DESI, based on their photometry properties by making use of machine learning tools.

Face à la nature inconnue de l'énergie noire et de la matière noire, des modèles à champ scalaire léger ont été proposés pour expliquer l'accélération tardive de l'expansion de l'Univers et l'apparente abondance de matière non baryonique dans l'Univers. Dans une première partie, cette thèse confronte de la façon la plus précise possible les données de cosmologie les plus récentes au modèle du Galiléon, une théorie de gravité modifiée possédant des propriétés théoriques particulièrement intéressantes. Des contraintes observationnelles sur les paramètres du modèle sont dérivées en utilisant les dernières mesures liées aux distances cosmologiques et à la croissance des grandes structures de l'Univers. Un bon accord est observé entre les données et les prédictions théoriques, faisant du Galiléon un modèle alternatif compétitif avec celui de la constante cosmologique. Dans une seconde partie, la production de Branons, particules scalaires candidates au statut de matière noire venant d'une théorie de dimensions supplémentaires, est recherchée dans les collisions proton-proton enregistrées en 2012 par l'expérience Compact Muon Solenoid auprès du Grand Collisionneur de Hadrons. Des événements présentant un photon et de l'énergie transverse manquante dans l'état final sont sélectionnés dans les données et comparés aux estimations des bruits de fonds attendus. Aucun excès d'événements n'étant observé, des limites expérimentales sur les paramètres de la théorie du Branon sont calculées. Elles sont les plus contraignantes à ce jour. Cette thèse se conclut par des arguments pour une description unifiée des deux modèles étudiés, dans le cadre des théories de dimensions supplémentaires. / The nature of dark energy and dark matter is still unknown today. Light scalar field models have been proposed to explain the late-time accelerated expansion of the Universe and the apparent abundance of non-baryonic matter. In the first part of this thesis, the Galileon theory, a well-posed modified gravity theory preserving the local gravitation thanks to the Vainshtein screening effect, is accurately tested against recent cosmological data. Observational constraints are derived on the model parameters using cosmological distance and growth rate of structure measurements. A good agreement is observed between data and theory predictions. The Galileon theory appears therefore as a promising alternative to the cosmological constant scenario. In the second part, the dark matter question is explored through an extra-dimension theory containing massive and stable scalar fields called Branons. Branon production is searched for in the proton-proton collisions that were collected by the Compact Muon Solenoid experiment in 2012 at the Large Hadron Collider. Events with a single photon and transverse missing energy are selected in this data set and compared to the Standard Model and instrumental background estimates. No signature of new physics is observed, so experimental limits on the Branon model parameters are derived. This thesis concludes with some ideas to reach an unified description of both models in the frame of extra-dimension theories.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la collaboration internationale SuperNova Legacy Survey, SNLS. Les objectifs majeurs de ce projet sont de mesurer de manière précise les paramètres cosmologiques et d'étudier les caractéristiques de l'énergie noire, par l'intermédiaire de son équation d'état. Pour cela, un large échantillon de SNe Ia à grands décalages spectraux est récolté l'aide de la caméra MegaCam, installée sur le télescope CFH de 3.6 mètres de diamètre, situé à Hawaï. Plusieurs centaines de SNe Ia, à des décalages vers le rouge compris entre 0.3 et 1, sont attendues durant les cinq ans prévus pour le projet. Nous montrons dans un premier temps comment les SNe de type Ia peuvent être utilisées comme des chandelles standard, objets dont la luminosité est reproductible, en vue de faire des mesures de distance en cosmologie. Nous présentons ensuite les différentes étapes menant de l'image brute fournie par le télescope à la découverte de la supernova, puis à la détermination de sa magnitude grâce à un catalogue d'étoiles standard. Le suivi photométrique des SNe, afin de construire leurs courbes de lumière, et la recherche de nouveaux candidats se font de manière simultanée en observant de façon répétée les mêmes champs. Un modèle de courbe de lumière a été élaboré dans le but d'estimer le flux de la supernova dans son référentiel, pour un large domaine de longueurs d'onde. Les paramètres issus de l'ajustement de la courbe de lumière (luminosité au maximum, taux de déclin, couleur) sont ensuite utilisés pour construire un estimateur de distance. La comparaison de distance entre des SNe proches, provenant de la littérature, et les SNe lointaines découvertes dans SNLS permet de déterminer les paramètres cosmologiques. Les résultats ainsi obtenus confirment bien la présence d'une énergie noire, qui semble se présenter sous la forme d'une constante cosmologique.

Il y a presque dix ans que l'accélération de l'expansion de l'Univers a été mise en évidence grâce aux observations des supernovae de type Ia et du fonds diffus cosmologique. Cette découverte a changé notre compréhension du contenu énergétique de l'Univers puisque pour expliquer une telle accélération, une composante supplémentaire de matière (effective ou non) est nécessaire et contribue à hauteur de 70%. Cette dernière est appelé "énergie noire". Elle affecte aussi bien les mesures de distance, que la croissance des sur-densités de matières primordiales qui donnent naissance aux structures. Les principales sondes sensibles à ces deux dernières quantités sont les supernovae de type Ia, les amas de galaxies, les lentilles gravitationnelles, et les oscillations acoustiques des baryons (BAO). Afin de contraindre précisément les modèles théoriques (Constante Cosmologique, modification de la théorie de la relativité générale par exemple) qui tentent de déterminer la nature de l'énergie noire, l'observation de chacune de ces quatre sondes est indispensable. Le niveau de précision sur la mesure des paramètres des modèles d'énergie noire requis est tel qu'une nouvelle génération d'instruments va voir le jour dans les années à venir avec notamment le télescope LSST (Large Synoptic Survey Telescope). Le télescope LSST dont le miroir primaire fait 8.4 mètres de diamètre, produira un sondage couvrant la moitié du ciel observable dans 6 bandes photométriques pendant 10 ans. Sa caméra sera la plus grosse caméra jamais construite dans le monde avec un plan focal de 3.2 milliards de pixels. Cette thèse présente à la fois un aspect expérimental et phénoménologique. Le travail présenté porte tout d'abord sur l'élaboration du banc d'étalonnage de la caméra de LSST, et des premières mesures optiques validant le schéma de principe du banc. Nous présenterons ensuite la simulation des BAO dédiée à LSST tentant de prédire à quelle précision les paramètres d'énergie noire pourront être contraint. L'accent est mis sur la production d'un catalogue photométrique de galaxies simulé ainsi que sur une méthode de calcul des redshifts photométriques. La validation de la méthode grâce à des données spectro-photométriques du CFHTLS est également présentée.