Cette thèse porte sur le rôle des amas de galaxies dans la cosmologie et l'évolution des galaxies. J'utilise des observations photométriques et spectroscopiques multi-longueur d'onde (optiques, mm, proche/moyen-IR) que j'analyse avec des méthodes statistiques. Pour un échantillon d'amas détectés par le satellite Planck et ré-observés avec le télescope optique Gemini, j'étudie la dynamique des galaxies dans les amas afin de déterminer leur masse et de comprendre les erreurs systématiques sur ces estimations, d'une importance cruciale dans la cosmologie à l'heure actuelle. Dans le cadre de la collaboration CARLA (Clusters Around Radio Loud AGN), j’étudie les populations stellaires des galaxies dans les amas et les proto-amas dans leurs premières phases d'assemblage (z>1.4), afin d'étudier la suppression de la formation des étoiles et le rôle de l'environnement sur l'évolution des galaxies. / This thesis focuses on the role of galaxy clusters in cosmology and galaxy evolution. I use multi-wavelenght photometric and spectroscopic observations (optical, mm, near/mid- IR) which I analyse with statistical methods. For a sample of clusters detected by the Planck satellite and re-observed with the Gemini optical telescope, I have studied the dynamics of member galaxies to probe their mass and understand possible systematics affecting such estimates, of crucial importance in cluster cosmology at present. Within the CARLA (Clusters Around Radio Loud AGN) collaboration, I examine morphology and stellar populations of galaxies in clusters and proto-clusters in their first assembly phases (z>1.4), with the aim of shedding light on the quenching of star formation and the role of the environment on galaxy evolution.

Cette étude porte sur les plus grandes structures auto-cohérentes connues dans l'univers, les amas de galaxies. Du fait de ses conditions thermodynamiques, leur halo de gaz est complètement ionisé. Ce plasma est observable aux longueurs d'onde X par son émission de freinage, ainsi qu'en submillimétrique et en millimétrique via l'effet Sunyaev-\-Zel'dovich (SZ). Cet effet résulte de la diffusion des photons du champ de rayonnement cosmologique par les électrons du milieu intergalactique. Dans un premier temps, nous avons calculé numériquement le spectre exact de l'effet SZ en prenant en compte le comportement relativiste des électrons du gaz. Ainsi, nous avons mis en évidence la forte dépendance de leur forme en fonction de la température du milieu. A l'aide de cet outil, nous avons analysé les données millimétriques du spectrophotomètre DiaBolo en direction de l'amas RXJ1347-1145. Ces observations à haute résolution spatiale ont permis la détection du plus fort signal SZ mesuré jusqu'à présent, ainsi qu'une émission étendue dont la structuration semble différer de celle observée aux longueurs d'onde X. Nous avons ensuite élargi le domaine spectral d'observation aux longueurs d'onde infrarouges et submillimétriques. Ainsi, nous avons obtenu le spectre de l'amas d'Abell 2163 entre 90~$\mu$m et 2.1~mm. Les contraintes imposées par les mesures infrarouges sur l'émission de poussière ont permis d'optimiser la détermination des paramètres SZ. En extrapolant cette étude au cas des missions spatiales, Planck Surveyor et Herschel, nous avons montré que les données SZ sont une source d'information auto-suffisante. Nous avons ainsi quantifié la précision avec laquelle la température du gaz intra-amas pourrait être déduite des observations SZ faites avec ces instruments.

Le scénario hiérarchique de formation des structures prévoit <br />que les amas de galaxies se forment par l'accrétion et la coalescence<br />successives de<br />sous-structures moins massives. <br /><br />Je présente notre programme d'observations couplées en optique, <br />en X et en radio sur un échantillon commun d'amas de galaxies<br />morphologiquement complexes, susceptibles de receler différents stades du<br />processus de coalescence ("MUSIC: MUlti-wavelength Sample of Interacting<br /> Clusters"), visant à caractériser la formation et l'évolution de ces<br />objets. L'analyse multi-longueur d'onde est essentielle pour comprendre ces<br />systèmes complexes, l'évolution de la distribution de leurs galaxies (via<br />l'optique), de leur gaz (par l'intermédiaire des observations en X) et de<br />leur composante non-thermique (i.e. particules relativistes et champs<br />magnétiques observables aux longueurs d'onde radio).<br /><br />Dans la première partie de cette thèse, les connaissances <br />actuelles sur la physique des amas de galaxies en cours de fusion sont<br />présentées par la comparaison entre les principaux résultats<br />observationnels et les prévisions des simulations numériques.<br /><br />\noindent Le programme "MUSIC", les observations effectuées et les <br />techniques de traitement et analyse des données sont détaillées dans la<br />deuxième partie. En accord avec les scénario hiérarchique de formation<br />des structures, les résultats sur les premiers amas de notre échantillon<br />montrent qu'il s'agit de systèmes en train de se former par un processus de<br />coalescence entre sous-structures. Ces amas couvrent la séquence de<br />coalescence à partir de la phase de pré-fusion (A1750), aux phases<br />centrales de la collision entre sous-structures (A3921 et A521), jusqu'à la<br />phase de post-fusion avancée (A1413). La structure à grande échelle des<br />amas en coalescence, et les effets du processus de fusion aussi bien sur la<br />dynamique de ces systèmes que sur leurs galaxies sont discutés en<br />détails dans cette deuxième partie et dans les articles inclus.

L'effet Sunyaev-Zel'dovich (SZ) est le nom donné à la diffusion Compton inverse des photons du fond diffus cosmologique sur les électrons du gaz chaud à l'intérieur des amas de galaxies. Dès 2005, cet effet permettra la détection de nouveaux amas à grand redshift grâce à des sondages SZ en aveugle. Ce travail vise à évaluer les performances scientifiques de la nouvelle génération d'instruments destinée à réaliser ces sondages. Un des objectifs principaux est l'étude des effets de sélection de ces instruments. Cette étude a nécessité la simulation de cartes SZ réalistes (via un code semi-analytique incluant corrélations spatiales et cinétiques) et la mise au point d'un algorithme d'extraction rapide d'amas (reposant sur l'utilisation de filtres adaptés). Le code de simulation et l'algorithme d'extraction ont été appliqués sur des données millimétriques récentes pour l'observation d'émissions SZ d'amas et l'estimation d'une contribution d'amas non résolus au spectre des anisotropies primaires du fond diffus cosmologique.

Le paradigme cosmologique actuel s'appuie sur l'instabilite du modele de Friedman-Lemaitre vis-a-vis des inhomogeneites de densite d'energie, pour rendre compte de la formation des grandes structures de l'Univers, telles que nous les observons. Dans ce cadre, il a ete predit, puis observe, que ces necessaires inhomogeneites impriment sur un rayonnement fossile millimetrique (CMB), par ailleurs thermalise a 3K, homogene et isotrope, d'infimes variations de temperature. Par l'observation plus precise de telles anisotropies, de nombreuses expériences presentes ou a venir, telles ARCHEOPS, TopHat, ou PLANCK, esperent tester ce paradigme avec une precision sans precedent. Toutefois, les besoins inedits de ces experiences necessitent l'invention de nouvelles methodes d'analyse de donnees CMB. En reponse a certains de ces besoins, nous avons developpe au cours de notre these, une methode multi-grille originale de fabrication rapide de cartes de ces fluctuations de temperature a partir de donnees ordonnees en temps, une methode hierarchique de mesure du spectre de puissance angulaire de ces cartes, une modelisation analytique des effets de lobe instrumental, et un test original de detection d'une composante non-Gaussienne dans la distribution statistique de ces fluctuations. Par ailleurs, regardant ces inhomogeneites bien plus tardivement dans leur evolution, nous pouvons observer, entre autres grandes structures, des amas de galaxies. A ces objets, les plus massifs gravitationnellement lies aujourd'hui, nous nous sommes interesse dans un second temps. En particulier, nous avons construit un modele analytique permettant l'inclusion d'effets de chauffage non-gravitationnel, connus par leurs consequences observationnelles importantes. Enfin, nous avons presente une methode permettant une meilleure description du contenu baryonique de ces amas au moyen d'\emph(une analyse conjointe d'observations de distorsions gravitationnelles, de l'effet Sunyaev-Zel'dovich, et de l'emission X, ces deux derniers effets originant du gaz chaud contenu dans les amas.

Les amas de galaxies constituent un des outils majeurs de la cosmologie moderne. Une mesure de l'abondance de ces objets permet de caractériser les propriétés cosmologiques de l'Univers et l'analyse de leurs différentes propriétés physiques telles que la masse, la température ou la luminosité X du gaz intra-amas permet quant à elle de contraindre les modèles de formation et d'évolution de ces objets. Dans les deux cas, la grandeur fondamentale est la masse de l'amas de galaxies. Etre capable de les estimer de la manière la plus efficace et la plus précise possible est donc une nécessité. Le travail présenté ici s'inscrit dans cette optique : l'étude d'un échantillon représentatif d'amas de galaxies avec des masses déduites de deux analyses totalement différentes afin d'en augmenter la fiabilité. Cette thèse met l'accent sur la méthode qui utilise les effets de lentilles gravitationnelles prédits par la théorie de la Relativité Générale. L'analyse d'images optiques grand champ des amas a constitué la plus grande partie de ce travail : sélection des galaxies lentillées, estimation de leur forme, mesure du signal de cisaillement gravitationnel et reconstruction de la masse. Chaque étape du processus s'accompagne d'erreurs et de limitations qui ont été mises en lumière, en particulier celles attribuées à la distance importante de l'échantillon d'amas. L'étude de celui-ci du point de vue statistique a permis de caractériser ce qu'on appelle les lois d'échelle. Ces relations entre les différentes grandeurs des amas permettent d'étudier les modèles de formation des structures et constituent l'outil nécessaire à une utilisation des amas comme contrainte cosmologique. Leur étalonnage nécessite donc une estimation robuste des masses. Celles déduites de l'analyse des effets de lentilles gravitationnelles ont ainsi été comparées avec les résultats de la seconde méthode basée sur l'émission X du gaz intra-amas. Pour 7 des 11 amas de l'échantillon, les masses estimées sont compatibles ce qui augmente leur crédibilité. Pour les autres cas, les différences observées mettent en lumière les limitations intrinsèques à chaque méthode, en particulier les effets de projection et l'état dynamique de l'amas. Les résultats obtenus sur la calibration des lois d'échelles sont quant à eux en bon accord avec une grande partie des autres travaux du même type, notamment sur des amas plus proches. En particulier, la présence de processus physiques non gravitationnels est mise en évidence, à la fois sur les propriétés du gaz et celles de la population des galaxies de l'amas.

Cette these etudie l'influence du balayage par pression dynamique sur l'histoire de la formation stellaire des galaxies spirales qui se trouvent dans des amas. Le balayage par pression dynamique est l'interaction hydrodynamique entre le milieu interstellaire (ISM) d'une galaxie spirale qui evolue dans le puits de potentiel d'un amas, et le milieu intra-amas (ICM). Si la pression dynamique exercee par l'ICM excede la force d'attraction gravitationnelle due au potentiel galactique, la galaxie perd du gaz de sa partie externe. L'amas de la Vierge constitue un laboratoire ideal pour etudier les effets de l'environnement sur l'evolution des galaxies. En effet, cet amas est riche en spirales et dynamiquement jeune. Des observations nous montrent que la quantite de gaz atomique qui se trouve dans les spirales de la Vierge est moins importante que celle des galaxies du champ. En particulier, les spirales des amas presentent des disques HI tronques. Pour celles des galaxies qui presentent aussi une distribution stellaire symetrique, le balayage par pression dynamique semblerait etre l'origine la plus probable de la troncature du gaz du disque.

L'observation des amas de galaxies dans le domaine des rayons X permet, d'une part de les étudier individuellement gràce à la capacité de spectro-imagerie haute-précision des instruments de dernière génération tels qu'XMM-Newton et Chandra, d'autre part, de les détecter jusqu'à de très grandes distances, ce qui permet de tester les phénomènes d'évolution. Ces objets ont un intéret cosmologique particulier puisqu'ils sont les plus massifs de l'Univers et qu'ils se sont formés tardivelent par l'effondrementdes zones denses sous l'effet de leur propre gravité. Ce processus dépend principalement de la densité de matière globale de l'Univers...

Cette thèse se focalise sur l'étude des amas de galaxies, via l'effet Sunyaev-Zel'dovich (tSZ), qui consiste en l'interaction de ces même amas avec le fond diffus cosmologique. Pour ce faire j'ai utilisé les données expérimentale de l'instrument HFI du satellite PLANCK. Cette thèse ce découpe en trois parties majeures, (1) L'analyse et le traitement des données en temps, des données brut jusqu'au cartes du ciel, ce focalisant tout particulièrement sur les effets systématiques. (2) Le développement de méthode de séparation de sources, permettant la construction de cartes par émission astrophysique (tout particulièrement l'effet Sunyaev-Zel-dovich) à partir de données multi-fréquences. (3) L'analyse physique des cartes d'effet Sunyaev-Zel'dovich, produit par le gaz d'électron chaud présent dans les amas de galaxies. Ce travail permet la mise en place de contrainte, sur le profile de pression des amas de galaxies, sur la présence de filaments de matière entre des système binaire d'amas de galaxies, ainsi que la mise en évidence du spectre de puissance de l'effet tSZ. / This work is focusing on the study of the thermal Sunyaev-Zel'dovich (tSZ) effect produced by the gaz of hot electrons present in galaxy clusters. This effect consist on the interaction between the Cosmic Microwave Background (CMB) and galaxiy clusters. For this purpuse I used the data from the High Frequency Instrument (HFI) of the PLANCK satellite. This work can be divided in three main parts : (1) The study of systématics effects present in the Time Ordered Data and in the construction of the sky maps. (2) The devellopement of new components seperation methods for the tSZ effect in the context of multi-frequencies observations. (3) The physical analysis of the tSZ effect providing constraints on the galaxy clusters properties. This work allow to put some constraints on the galaxy clusters pressure profile, on the WHIM components present in the inter-clusters medium between binary system of galaxy clusters and on the detection of the tSZ power spectrum with PLANCK.

Cette thèse présente un certain nombre de résultats récents à propos de l'évolution des galaxies et la cosmologie, à partir de l'observation d'amas de galaxies en lumière visible. Nous introduisons d'abord les principales propriétés des amas de galaxies (Chapitre 1.1) et la façon dont ces objets permettent de contraindre le modèle cosmologique standard (Chapitre 1.2). Une grande partie des résultats présentés ici ont été obtenus à partir de l'étude du relevé d'amas DAFT/FADA, qui regroupe des amas dans la gamme de décalages spectraux 0.4<z<0.9 (Chapitre 1.3). Cette thèse est séparée en deux parties, chacune traitant d'une observable particulière : la luminosité des galaxies, puis la forme des galaxies. La fonction de luminosité des galaxies, c'est-à-dire la distribution de leur luminosité, permet d'étudier l'évolution des galaxies dans les amas (Chapitre 2.1). Nous avons calculé les fonctions de luminosité pour un sous-échantillon de 25 amas DAFT/FADA, et avons montré que les galaxies faibles bleues, à fort taux de formation stellaire, évoluent en des galaxies rouges passives des hauts décalages spectraux à aujourd'hui. En comparant les fonctions de luminosité des amas à celles du champ, on observe que cette transformation est plus efficace dans les environnements denses. Nous avons également étudié la fraction de baryons dans les groupes et amas de galaxies (Chapitre 2.2). Nous avons remarqué que dans les groupes la fraction massique d'étoiles peut atteindre des valeurs du même ordre de grandeur que celles de la fraction de gaz intra-amas, alors que dans les amas, la fraction stellaire est généralement négligeable devant celle du gaz. En prenant en compte à la fois les étoiles et le gaz, nous avons posé des contraintes sur le paramètre de densité de matière Omega_M. Les galaxies apparaissent déformées par la présence d'objets d'avant-plan qui courbent les trajectoires lumineuses à leur voisinage. Ce signal de lentille gravitationnelle peut être exploité afin de mesurer la distribution de masse des amas d'avant-plan. Les bases du phénomène de lentille gravitationnelle faible et de la mesure du cisaillement sont introduites au Chapitre . Ces techniques sont ensuite appliquées à un sous-échantillon de 16 amas DAFT/FADA présentant des images Subaru/SuprimeCam ou CFHT/MegaCam (Chapitre 3.1). Nous avons estimé la masse de ces amas, et profité de la large dimension angulaire de ces images pour détecter des filaments et des structures autour de ces amas. Cette étude valide observationnellement le scénario de croissance hiérarchique des amas. Finalement, nous avons détecté les pics de cisaillement dans des simulations de type Euclid, et avons utilisé leur statistique en tant que sonde cosmologique, de façon similaire aux comptages d'amas (Chapitre 3.2). Nous avons calculé les contraintes cosmologiques que cette technique pourra apporter avec les données de la mission spatiale Euclid, et avons développé une approche tomographique qui ajoute l'information des décalages spectraux. Une discussion sur les développements envisagés dans les différents domaines traités conclut cette thèse. / This thesis presents some recent results concerning galaxy evolution and cosmology,based on the observation of galaxy clusters at optical wavelengths. We first introduce the main properties of galaxy clusters (Sect. 1.1) and how they can be used for cosmology within the standard cosmological model (Sect. 1.2). A large fraction of the presented results comes from the study of the DAFT/FADA galaxy cluster survey at redshifts 0.4 < z < 0.9 (Sect. 1.3). We divide our study in two parts according to the observable that is considered: galaxy luminosity or galaxy shape. The distribution of galaxy luminosities is called the galaxy luminosity function (GLF), which can be used to probe the evolution of cluster galaxies (Sect. 2.1). Computing the GLFs for a sub sample of 25 DAFT/FADA clusters, we find that faint blue star forming galaxies are quenched into red quiescent galaxies from high redshift until today. Comparing to the field shows that this transformation is more efficient in high density environments.We also study the fraction of baryons in galaxy groups and clusters (Sect. 2.2). Wefind that in groups, the stars contained in galaxies can reach masses of the same order as those of the intra-cluster gas, while in clusters they are usually negligible relatively to the gas. Taking both stars and gas into account we constrain the matter density parameter Galaxy shapes are distorted by foreground objects that bend light in their vicinity. This lensing signal can be exploited to measure the mass distribution of a foreground cluster. We review the basic theory of weak lensing and shear measurement (Sect. 3.1), and then apply it to a subsample of 16 DAFT/FADA clusters, with Subaru/SuprimeCam or CFHT/MegaCam imaging (Sect. 3.2). We estimate the masses of these clusters, and take advantage of the large fields of view of our images to detect filaments and structures in the cluster vicinity, observationally supporting the hierarchical scenario of cluster growth. Finally, we detect shear peaks in Euclid-like simulations, and use their statistics as a cosmological probe, similarly to cluster counts (Sect. 3.3). We forecast the cosmological constraints that this technique will achieve when applied to the Euclid space mission, and develop a tomographic analysis that adds information from redshifts. We conclude with a discussion of our perspectives on future studies in all the fieldsinvestigated in the present thesis.