Malgré la faible abondance du deutérium dans l'Univers (D/H ~ 1.5 10e-5), des molécules deutérées sont détectées en grande abondance dans les régions de formation d'étoiles, avec un fractionnement (rapport de l'abondance de la molécule deutérée à celle de son isotope principal) supérieur de plusieurs ordres de grandeur à l'abondance cosmique du deutérium. Ces molécules deutérées représentent des sondes précieuses pour déterminer les conditions physiques régnant lors de la formation d'une étoile. L'incorporation préférentielle d'atomes de deutérium dans les molécules est une conséquence de la différence d'énergie de point zéro entre une espËce deutérée et son isotope principal. Les températures indiquées par les fractionnements observés en phase gazeuse étant bien plus faibles que la température actuelle du gaz, il est généralement admis que ces molécules ont été formées lors d'une phase antérieure froide et dense (phase de coeur préstellaire), par des réactions en phase gazeuse ou à la surface des grains, puis stockées dans les manteaux de glace des grains. Elles sont libérées en phase gazeuse quand la protoétoile nouvellement formée chauffe son enveloppe et évapore les glaces. Nous étudions dans cette thèse les processus physico-chimiques menant à un tel degré de deutération dans les environnements des protoétoiles de faible masse, progéniteurs d'étoiles telles que notre soleil. Nous présentons dans un premier temps des observations de molécules deutérées (en particulier eau, formaldéhyde et méthanol) dans les enveloppes de gaz et de poussière entourant les jeunes protoétoiles. Des observations dans le domaine millimétrique ont permis de mettre en évidence un fort degré de deutération du méthanol dans le gaz constituant l'enveloppe. En particulier, l'isotope triplement deutéré a été détecté avec un fractionnement CD3OH/CH3OH de 1%. Les fractionnements observés sont compatibles avec un scénario de formation du formaldéhyde et du méthanol à la surface des grains de poussière. L'analyse de l'émission de l'eau dans ces memes environnements conduit paradoxalement à un fractionnement environ dix fois plus faible, en accord avec la limite supérieure sur le fractionnement de l'eau dans les glaces constituant les manteaux des grains de poussière, déterminée par des observations dans le proche infrarouge. Nous présentons enfin un modèle de chimie à la surface des grains se proposant de comprendre pourquoi le deutérium est préférentiellement incorporé dans les molécules de formaldéhyde et de méthanol plutot que dans l'eau.

Dans le cadre du modèle standard du Big Bang, le deutérium est l'élément dont l'abondance primordiale est la plus sensible à la densité baryonique de l'Univers. Cet élément est uniquement créé lors de la nucléosynthèse primordiale, quelques minutes après le Big Bang ; aucune théorie standard n'en prédit actuellement d'autres sources significatives. Au contraire, étant brûlé dans les étoiles, son abondance D/H décroît au cours de l'évolution cosmique. Les mesures de D/H apportent ainsi des contraintes sur les modèles de Big Bang et d'évolution chimique des galaxies. On peut distinguer trois types de mesures de D/H : les abondances primordiale, proto-solaire et interstellaire, respectivement représentatives de l'Univers il y a environ 15 milliards d'années, 4.5 milliards d'années et à l'époque actuelle. Si l'évolution du deutérium semble qualitativement claire, les résultats concernant ces trois types d'abondance ne convergent pas pour l'instant vers trois valeurs bien définies. Les travaux entrepris durant cette thèse sont reliés à la mesure de l'abondance interstellaire du deutérium. Celle-ci s'obtient habituellement par l'observation spectroscopique en absorption des séries de Lyman de l'hydrogène et du deutérium. Ces observations se font dans le domaine ultraviolet, au moyen d'observatoires spatiaux. Les résultats présentés ici ont été obtenus avec le Télescope spatial Hubble puis le satellite FUSE, récemment mis en orbite. D'autre part, une nouvelle méthode d'observation du deutérium a été proposée, dans le domaine visible à partir de télescopes au sol. Ce travail a mené aux premières détections et à l'identification de la série de Balmer du deutérium, observée en émission dans des régions HII avec le Télescope Canada-France-Hawaii et le Very Large Telescope.

Je présente un nouveau modèle d'émission nébulaire de galaxies à formation d'étoiles, que j'ai développé en combinant un modèle récent de synthèse de populations stellaires avec un code classique de photoionisation. Je détaille les principales caractéristiques de ce nouveau modèle, comme le traitement sophistiqué des abondances individuelles et des déplétions sur les grains de poussière qui permet d'explorer de façon appropriée les signatures des rapports non solaires d'abondances de métaux, et donc les propriétés des galaxies chimiquement jeunes à l'époque de la réionisation. Je présente la grille exhaustive publique de modèles de photoionisation que j'ai créée, explorant de larges éventails de paramètres stellaires et interstellaires. Je décris la capacité des modèles à reproduire simultanément les caractéristiques observationnelles de galaxies à formation d'étoiles dans plusieurs diagrammes de rapports de raies ultraviolettes et optiques, et j'explore l'influence des différents paramètres ajustables des modèles sur les prédictions de rapports de luminosités de raies. Je décris également comment la combinaison de ces modèles avec des modèles de régions d'émission de raies étroites autour de noyaux actifs de galaxies, effectués avec le même code de photoionisation, permet de définir de nouveaux diagnostics de rapports de raies d'émission ultraviolettes et optiques pour distinguer la formation stellaire et l'activité nucléaire dans les galaxies. Enfin, je montre comment le nouveau modèle présenté dans cette thèse a déjà été utilisé pour interpréter avec succès les raies d'émission ultraviolettes et optiques de galaxies naines lentillées à des décalages spectraux entre 2-7. / I present a new model of nebular emission from star-forming galaxies, which I have developed by combining updated stellar population synthesis models with a standard photoionization code. I detail the main features of this new model, such as the recent advances in the theories of stellar interiors and atmospheres it incorporates to interpret the ionizing radiation from star-forming galaxies, and the careful treatment of individual abundances and depletion onto dust grains, which allows one to properly explore the signatures of non-solar metal abundance ratios, and then the properties of chemically young galaxies out to the reionization epoch. I present the public comprehensive grid of photoionization models I have computed, including full ranges of stellar and interstellar parameters. I describe the ability of the models to account simultaneously for observational trends followed by star-forming galaxies in several ultraviolet and optical diagnostic line-ratio diagrams, and I explore the influence of the various adjustable model parameters on predicted line-luminosity ratios. I also describe how the combination of this model with calculations of narrow-line emitting regions from active galactic nuclei computed using the same photoionization code allows one to define new ultraviolet and optical emission-line diagnostics to discriminate between star formation and nuclear activity in galaxies. Finally, I show how the new model presented in this thesis has already been used successfully to interpret the rest-frame ultraviolet and optical line emission of different types of high-redshift star-forming galaxies, mainly lensed dwarf star-forming galaxies at redshift between 2-7.

Je combine de nouveaux modèles de production de radiations stellaires et de transport radiatif à travers le milieu interstellaire (MI). Cela permet de caractériser les étoiles ainsi que le MI neutre et ionisé dans des galaxies formant des étoiles (GFE), via des raies ultraviolettes dans leur spectre. J'évalue la fiabilité des modèles stellaires en ajustant dans l'ultraviolet les indices d'absorption mesurés dans les spectres stellaires de 10 amas d'étoiles dans le Grand Nuage de Magellan. Je montre que négliger l'échantillonnage stochastique de la fonction de masse initiale stellaire de ces amas jeunes et peu massifs a une faible influence dans l'estimation d'âge et de métallicité, mais peut entraîner une surestimation significative des estimations de leur masse. Ensuite, je développe une approche basée sur une description épurée des principales caractéristiques du MI, afin de calculer de manière auto-cohérente l'influence combinée de l'émission et de l'absorption de ce milieu dans le spectre ultraviolet des GFE. Ce modèle tient compte du transport radiatif aussi bien à travers les couches intérieures ionisées, qu'à travers les couches extérieures neutres des nuages de formation d'étoiles ainsi que le milieu diffus entre ces nuages. J'utilise cette approche pour étudier la signature enchevêtrée des étoiles, du milieu neutre et du milieu ionisé dans les spectres ultraviolets des GFE. J'obtiens que la plupart des indices stellaires dans l'ultraviolet sont susceptibles de présenter une contamination par le MI qui augmente avec la métallicité. Enfin, j'identifie des raies d'émission et d'absorption interstellaires pouvant discriminer efficacement les différentes phases du MI. / I combine state-of-the-art models for the production of stellar radiation and its transfer through the interstellar medium (ISM) to investigate ultraviolet-line diagnostics of stars, the ionized and the neutral ISM in star-forming galaxies. I start by assessing the reliability of the stellar population synthesis modelling by fitting absorption-line indices in the ISM-free ultraviolet spectra of 10 Large-Magellanic-Cloud clusters. In doing so, I find that neglecting stochastic sampling of the stellar initial mass function in these young low-mass clusters affects negligibly ultraviolet-based age and metallicity estimates but can lead to significant overestimates of stellar mass. Then, I develop a simple approach, based on an idealized description of the main features of the ISM, to compute in a physically consistent way the combined influence of nebular emission and interstellar absorption on ultraviolet spectra of star-forming galaxies. My model accounts for the transfer of radiation through the ionized interiors and outer neutral envelopes of short-lived stellar birth clouds, as well as for radiative transfer through a diffuse intercloud medium. I use this approach to explore the entangled signatures of stars, the ionized and the neutral ISM in ultraviolet spectra of star-forming galaxies. I find that, aside from a few notable exceptions, most standard ultraviolet indices defined in the spectra of ISM-free stellar populations are prone to significant contamination by the ISM, which increases with metallicity. I also identify several nebular-emission and interstellar-absorption features, which stand out as particularly clean tracers of the different phases of the ISM.

La première partie de ce travail concerne la recherche de nouvelles molécules interstellaires et circumstellaires. Après une description des divers hamiltoniens utilisés pour le calcul des fréquences des spectres moléculaires dans le domaine des ondes millimétriques,elle expose la recherche et la détection de nouvelles molécules, à l'aide d'observations réalisées avec le radiotélescope de 30m de l 'IRAM, ainsi que la couverture spectrale, effectuée à 2mm et 3mm, de l'émission de l'enveloppe circumstellaire IRC+ 10216. La deuxième partie de ce travail est consacrée à la détermination de rapports d'abondances isotopiques dans des enveloppes circumstellaires de Géantes Rouges, à partir d'observations millimétriques de raies moléculaires. Les rapports isotopiques du carbone, de l'azote, du soufre et du silicium sont mesurés dans l'enveloppe d'une étoile carbonée, IRC+10216; ceux du carbone, dans quatre enveloppes d'étoiles de type J (Y CVn, RY Dra, T Lyr, et WZ Cas); ceux de l'oxygène, dans deux étoiles carbonées (CIT6 et IRC+10216), deux pre-nébuleuses planétaires (CRL618 et CRL2688) et une nébuleuse planétaire (NGC7027). Les rapports isotopiques ainsi mesurés sont comparés aux valeurs déduites d'observations infrarouge, ainsi qu'aux prédictions des modèles théoriques des processus de nucléosynthèse et de mélange dans les étoiles de type Géantes Rouges.

On observe des anomalies d'abondances en surface de nombreuses étoiles A (d'amas et du champ). Ces anomalies d'abondances sont générées par la diffusion microscopique et peuvent etre modulées par l'action d'autres processus de m´elange, incluant la convection, le méange rotationnel, la perte de masse, etc. Ces étoiles désignées chimiquement particulières montrent typiquement des sous-abondances en calcium et/ou en scandium ainsi que des surabondances en éléments du pic du fer et en éléments plus lourds. Les étoiles A non magnétiques de ce type sont classifiées Am.<br />En observant en particulier des étoiles A et F dans des amas ouverts, on peut obtenir des informations additionnelles qui facilitent la comparaison aux mod`eles, soient la composition chimique initiale et l'age de ces étoiles. Ainsi en déterminant la composition chimique des étoiles A/F dans plusieurs amas ouverts d'ages différents, on peut suivre l'évolution de la composition chimique de surface et contraindre les modèles évolutifs au niveau des processus de transport.<br />Dans cette thèse, j'expose l'analyse de la composition chimique d'échantillons d'étoiles A et F dans deux amas ouverts d'ages différents: les Pléiades (100 Myrs) et Coma Berenices (450 Myrs). Ce travail repose sur des observations que j'ai menées avec les trois spectrographes AURELIE, ELODIE et SOPHIE a l'Observatoire de Haute-Provence (OHP). La méthode des spectres synthétiques, basée sur des modèles d'atmosphères d'ATLAS9-12, a été utilisée afin de déterminer les abondances de 22 éléments. Ces observations sont ensuite comparées aux prédictions des modèles évolutifs de Montréal. Les résultats démontrent l'existence de processus hydrodynamiques dans les zones radiatives de ces étoiles et qui contrebalancent les effets de la diffusion microscopique.

De nombreuses observations spectroscopiques fournissent des preuves convaincantes sur l'existence d'un processus de mélange, non-prédit par les modèles classiques d'évolution stellaire, modifiant les abondances de surface des étoiles de faible masse et de masse intermédiaire. Durant cette thèse, le calcul d'une grille de modèles stellaires à différentes masses et métallicités incluant pour la première fois le mélange thermohaline et le mélange induit par rotation, nous a permis d'étudier les effets de ces deux processus de transport sur la structure, sur les abondances en surface, ainsi que sur les propriétés astérosismiques de ces étoiles ; ainsi que leurs effets sur l'évolution chimique de la Galaxie. Nous avons conclu que le mélange thermohaline est le processus dominant dans les géantes rouges de faible masse gouvernant la composition chimique de leur atmosphère, et qu'il est le seul processus physique connu jusqu'à présent qui permet de résoudre le problème de l'Helium-3 dans la Galaxie.

L'un des buts majeurs de l'astrophysique moderne est de comprendre la formation du Système Solaire. Puisque les protoétoiles de faible masse sont des soleils en formation, l'étude de ces objets est un des meilleurs moyens d'étudier le processus de formation du Soleil et de son système planétaire. Dans ma thèse, je me suis concentrée sur la chimie des premières phases d'évolution des protoétoiles de faible masse en étudiant les molécules organiques complexes dans des sources de Classe 0, qui représentent les phases les plus jeunes connues. De telles molécules ont été découvertes dans IRAS16293-2422, le prototype des sources de Classe 0, démontrant l'existence des ``hot corinos'', des régions où les manteaux des grains subliment. Certaines de ces molécules ont aussi été observées dans des comètes de notre Système Solaire, soulevant la question de savoir si (et auquel cas, comment) la chimie des Classes 0 affecte la composition chimique de la matière du disque protoplanétaire incorporée dans les comètes et autres corps planétaires.<br />Cependant, il est d'abord nécessaire de déterminer si les hot corinos sont omniprésents dans les protoétoiles de faible masse, ou si IRAS16293-2422 est une exception. Ceci était le premier but de ma thèse. L'approche consistait principalement à observer trois sources de Classe 0 pour chercher des molécules organiques complexes. J'ai ainsi découvert et/ou confirmé trois hot corinos de plus.<br />Le second but était de contraindre la taille de la région d'émission des molécules complexes au moyen d'observations interférométriques des deux hot corinos les plus brillants: cette émission est compacte (<150 AU), avec, dans l'un des cas, une composante étendue provenant de l'enveloppe externe.<br />Le troisième but avait pour lieu de confronter les voies de formation possibles des molécules complexes avec les résultats de mes observations pour essayer de distinguer si ces molécules se forment en phase gazeuse ou à la surface des grains. Bien que mes données ne puissent éliminer aucun des deux cas, elles semblent favoriser le second type de formation. De plus, la comparaison entre hot corinos et leurs homologues massifs, les hot cores (qui montre que les molécules complexes sont relativement plus abondantes dans les hot corinos), soutient également la formation à la surface des grains.

La perte de masse est introduite dans des modèles évolutifs qui traitent en détail le transport microscopique induit par la diffusion atomique et les accélérations radiatives pour 28 espèces y inclus tous les isotopes de la base de données OPAL. Les propriétés physiques des solutions sont analysées en détail. Lorsque l'amplitude de la vitesse advective causée par la perte de masse est plus grande que la vitesse de triage dirigée vers le centre de l'étoile, le flux local d'un élément est déterminé par des variations du flux qui se déroulent profondément dans l'étoile. Par contre, l'abondance locale dépend aussi des variations locales des accélérations radiatives. Dans ces étoiles, la séparation chimique causée par la diffusion atomique affecte 30% du rayon externe de l'étoile. Les modèles sont aussi comparés à plusieurs observations d'étoiles AmFm, HAeBe et de Population II dans le but de caractériser le rôle que pourrait jouer la perte de masse en tant que processus qui inhibe la diffusion atomique dans les zones stables de ces étoiles. Les anomalies d'abondances observées à la surface de ces étoiles sont reproduites par des modèles évolutifs qui incluent la diffusion atomique et la perte de masse non-séparée. Les taux de perte de masse considérés ne sont contraints que par les abondances en surface puisque leurs amplitudes sont probablement trop petites pour être observées directement. Quant aux étoiles AmFm et HAeBe, les observations d'abondances sont compatibles avec des taux de perte de masse qui sont au maximum 5 fois plus élevés que le taux de perte de masse solaire, alors que les taux requis pour reproduire les observations d'étoiles de Population II sont jusqu'à 50-100 fois plus élevés que le taux solaire. Des taux de perte de masse plus petit que 10^{-14}Msol/an, qui permettent l'apparition d'une zone convective due aux éléments du pic du fer, mènent à des abondances en surface qui ne sont pas compatibles avec les observations. Les abondances en surface d'étoiles AmFm et de Population II sont régies par la séparation chimique qui se déroule profondément dans l'étoile Delta M/M_* allant de -5 à -6, alors que la séparation se produit plus près de la surface Delta M/M_* plus près de -7 dans les étoiles HAeBe. Par rapport aux modèles avec mélange turbulent, la perte de masse mène à une distribution interne des éléments très différente. Le mélange turbulent conduit à des solutions pour lesquelles les abondances sont homogènes depuis la surface jusque profondément dans l'étoile (solution diffusive), alors que la perte de masse permet la séparation chimique dès le bas de la zone convective de surface (solution advective). Ce résultat pourrait peut-être permettre à l'astérosismologie de déterminer l'importance relative de ces deux processus dans l'intérieur de ces étoiles. / Mass loss has been introduced in a stellar evolution code which takes into account all the effects of atomic diffusion and radiative accelerations for the 28 species included in the OPAL opacity database. The physical properties of the solutions are analyzed in detail. When the advective velocity induced by mass loss dominates the inward settling velocity, the local flux for a given element is determined by flux variations which occur deep within the star. However, local abundances are modulated by local variations in radiative accelerations. Atomic diffusion affects the outer 30% of the stellar radius of these stars. The computed models are also compared to observations of AmFm, HAeBe and Population II stars in order to determine to what extent mass loss competes with atomic diffusion in the stable regions of these stars. Mass loss rates are solely constrained via surface abundances, since the mass loss rate amplitudes are likely too small to be observed directly. It is shown that most chemical anomalies observed at the surface of these stars can be reproduced by models with unseparated mass loss. While AmFm and HAeBe abundance determinations are compatible with mass loss rates which are, at most, 5 times larger than the solar mass loss rate, Population II stars require much larger rates (50 to 100 times the solar rate). Mass loss rates smaller than 10^{-14}Msun/yr which lead to an iron peak convection zone are not compatible with surface abundance observations. Surface abundances in AmFm and Population II stars are shown to be the result of chemical separation occurring deep within the star (Delta M/M_* between -5 and -6); however, in HAeBe stars, for which anomalies appear during the pre--main-sequence, the separation occurs nearer the surface (Delta M/M_* = -7). With respect to turbulent mixing, mass loss leads to very different internal abundance distributions. Whereas turbulent mixing homogenizes abundances from the surface down to depths well within the radiative zone (diffusive solution), mass loss allows for chemical stratification up to the bottom of the surface convection zone (advective solution). This could potentially allow for asteroseismic tests which could elucidate the relative importance of both types of processes in these stars. / Cette thèse a été réalisée en cotutelle. Pour la forme, Gérard Jasniewicz était mon codirecteur 'officiel' en France, bien que mon codirecteur était plutôt Olivier Richard qui m'a encadré lorsque j'étais en France.

Les abondances relatives naturelles des différents isotopes stables de l'azote (δ15N) varient selon les tissus au sein d'un individu et selon les individus au sein d'une population, et ces différences reflètent à la fois les caractéristiques de structure et de fonctionnement du métabolisme azoté et ses modulations en lien avec des variations des conditions nutritionnelles et physio-pathologiques. Cette thèse vise, à travers une approche couplée d'expérimentation et de modélisation, à mieux caractériser et comprendre les modulations des δ15N des différents pools azotés et à démontrer la capacité des δ15N à fournir des informations sur les flux azotés de l'organisme, leurs valeurs et modulations, qui sont encore mal connus. Nous avons, dans un premier temps, mesuré les δ15N dans plusieurs tissus (intestin, foie, plasma, muscles, rein, peau...) et dans différentes fractions azotées (acides aminés, protéines, urée, NH4) chez le rat, dans différentes conditions nutritionnelles (chez des rats nourris avec des P de qualité différente, les protéines de lait et de soja) ou physiopathologiques (chez des rats présentant ou non un syndrome métabolique, associant insulino-résistance et obésité, après avoir consommé un même régime potentiellement obésogène). Ces données expérimentales nous ont permis (i) de montrer que l'écart de δ15N entre les protéines tissulaires et le régime est plus important lorsque la qualité protéique est moindre, et (ii) de mettre en évidence que, lors de l'initiation précoce d'un syndrome métabolique associant insulino-résistance et obésité, les δ15N de certains pools métaboliques sont modulés et constituent des signatures isotopiques des modulations métaboliques associées. Par ailleurs, grâce à l'analyse par modélisation compartimentale des cinétiques de δ15N mesurées expérimentalement dans les fractions acides aminés et protéines de différents tissus après augmentation du δ15N du régime, nous avons pu estimer les taux de renouvellement protéique tissulaires et explorer la structure et le fonctionnement des échanges entre acides aminés et protéines des différents tissus et comparer leur degré de compartimentation. Enfin, nous avons développé un modèle multi-compartimental reproduisant l'ensemble des flux azotés inter- et intra-organes de l'organisme et rendant compte des variations de δ15N observées. Cette représentation globale du métabolisme azoté fournit une vision novatrice du fonctionnement intégré du métabolisme azoté dont les données éparses de la littérature ne donnaient auparavant qu'une vision parcellaire et fragmentée. Le modèle a permis de reconstituer les mécanismes qui conduisent à l'observation de différences de δ15N entre pools azotés, de mieux comprendre quelles modulations sont les plus susceptibles d'affecter les δ15N, avec quelle amplitude et dans quel sens, et finalement d'expliquer les variations de δ15N mises en évidence expérimentalement en terme de modulation des flux azotés. L'ensemble de nos résultats d'expérimentation et de modélisation démontre la capacité des δ15N à apporter des informations sur les flux métaboliques azotés et souligne l'intérêt prometteur de cette approche nouvelle pour acquérir une compréhension intégrée du système complexe du métabolisme azoté inter- et intra-organes et des processus homéostatiques qui le régulent et de ses dérégulations pré-pathologiques.