La détection directe de planètes extrasolaires est nécessaire à leur caractérisation. Cependant, c'est une tâche difficile à cause de la faible séparation angulaire, et du fort contraste entre l'étoile et sa planète. L'interférométrie annulante est une solution possible, mais elle requiert l'utilisation d'un déphaseur achromatique. Cette thèse en étudie un nouveau, dit "damier de phase". Il s'agit de deux miroirs ou lames transparentes composés de plusieurs cellules, dont la position et le déphasage introduit est contraint par un modèle mathématique. Le principal effet est que pour un niveau d'atténuation donné, plus on augmente le nombre de cellules dans les damiers, et la plus la bande passante s'élargit, ce qui traduit un comportement quasi-achromatique. Un banc optique automatisé a été construit afin de mesurer l'atténuation produite par les damiers dans le visible. Les premiers résultats ont été obtenus avec des damiers fabriqués par photolithogravure sur une lame transparente, et une atténuation d'un facteur 500 a été mesurée avec un laser blanc. Les erreurs sur le déphasage des cellules sont le principal facteur de perte de performances. Or celles engendrées par la fabrication de ce type de damiers étant irréversibles, il a été choisi de travailler avec un miroir segmenté qui permet de les contrôler. Afin de synthétiser les damiers, le contrôle du déphasage effectif de chaque cellule est nécessaire et se fait au moyen de la strioscopie. Ainsi, on a pu mesurer le comportement des damiers en fonction de la longueur d'onde, et valider expérimentalement leur comportement quasi-achromatique des damiers.

L'étude des ondes d'extrêmement basses fréquences dans les cavités ionosphériques des planètes et satellites dotés d'atmosphère suit une approche similaire à celle suivie pour la Terre. Elle contribue à la caractérisation du circuit électrique atmosphérique, des sources d'énergie associées et des limites des cavités. Un modèle numérique à éléments finis a été développé et appliqué à ces corps planétaires en vue d'étudier en particulier les résonances de Schumann. La pertinence d'un modèle de la cavité de Titan a été testée par rapport aux mesures de l'instrument PWA de la sonde Huygens. La découverte d'une couche ionisée à basse altitude et l'évaluation des propriétés diélectriques de la surface après l'atterrissage sont exposées. L'expérience acquise est appliquée à la conception de nouveaux instruments, ARES et SP2, pour étudier l'atmosphère et le sol de la planète Mars dans le cadre du projet ExoMars et pour d'autres corps lors de futurs projets spatiaux.

Au cours de cette thèse nous avons développé des méthodes de Séparation Aveugle de Sources (SAS) pour des images hyperspectrales, dans le cadre de deux champs d'application : la télédétection urbaine et l'astrophysique. Dans la première partie de la thèse nous nous sommes intéressés au démélange hyperspectral pour des images urbaines, le but étant de retrouver d'une manière non supervisée les matériaux présents sur la scène en extrayant leurs spectres et leurs proportions. La plupart des méthodes de la littérature sont basées sur un modèle linéaire, qui n'est pas valide en milieu urbain à cause des structures 3D. Une première étape a donc été d'établir un modèle de mélange adapté aux milieux urbains, en partant d'équations physiques basées sur la théorie du transfert radiatif. Le modèle final de forme linéaire quadratique invariant spectralement, ainsi que les possibles hypothèses sur les coefficients de mélange, sont justifiés par les résultats obtenus sur des images simulées réalistes. Nous avons ensuite proposé, pour le démélange, des méthodes de SAS fondées sur la FMN (Factorisation en Matrices Non-négatives). Ces méthodes sont basées sur un calcul de gradient qui tient compte des termes quadratiques. La première méthode utilise un algorithme de gradient à pas fixe, à partir de laquelle une version de Newton a aussi été proposée. La dernière méthode est un algorithme FMN multiplicatif. Les méthodes proposées donnent de meilleures performances qu'une méthode linéaire de la littérature. En astrophysique nous avons développé des méthodes de SAS pour des images de champs denses d'étoiles du spectro-imageur MUSE. A cause de la PSF (Point Spread Function), les informations contenues dans les pixels peuvent résulter des contributions de plusieurs étoiles. C'est là que réside l'intérêt de la SAS : extraire, à partir de ces signaux qui sont des mélanges, les spectres des étoiles qui sont donc nos "sources". Le modèle de mélange est linéaire non invariant spectralement. Nous avons proposé une méthode de SAS basée sur la positivité des données. Cette approche exploite le modèle paramétrique de la FSF (Field Spread Function) de MUSE. La méthode mise en place est itérative et alterne l'estimation des spectres par moindres carrés (avec contraintes de positivité) et estimation des paramètres de la FSF par un algorithme de gradient projeté. La méthode proposée donne de bonnes performances sur des images simulées de MUSE.

L'imagerie directe est actuellement la seule méthode disponible pour caractériser l'atmosphère des exoplanètes à longue période orbitale (≥1 UA). Cette méthode est difficile à mettre en œuvre parce qu'elle requiert de hauts contrastes à des séparations angulaires très proches (10^6-10^10 à ~0,2''). Pendant ma thèse, je me suis intéressée à deux instruments : la mission SPICES et l'instrument VLT/NaCo. SPICES (Spectro-Polarimetric Imaging and Characterization of Exoplanetary Systems) est un projet de coronographe spatial qui a pour objectif la caractérisation spectro-polarimétrique d'exoplanètes froides et de disques circumstellaires faibles (≥1 zodi). J'ai déterminé à l'aide de simulations numériques les performances scientifiques de cette mission. Pour une étoile solaire, SPICES pourrait caractériser des Jupiters à des séparations ≤5 UA et des distances ≤10 pc, des super-Terres à 1-2 UA pour quelques étoiles à moins de 4-5 pc et des Terres autour de α Centauri A. En considérant tous les types stellaires, j'ai estimé un nombre d'étoiles cibles potentielles de ~300. Dans la deuxième partie de ma thèse, j'ai analysé des données d'imagerie coronographique et différentielle angulaire et spectrale de l'instrument NaCo. L'objectif de ce programme d'observation était de chercher des planètes géantes gazeuses aussi froides que 500-1300 K à des séparations de 5-10 UA autour d'un échantillon sélectionné d'étoiles jeunes et proches (<200 Ma, <25 pc). Les limites de détection médiane atteignent des contrastes de ~10^−5 à 1'', correspondant à des températures effectives et masses de 1100 K et 10 MJ. Ces observations permettent de contraindre les propriétés des planètes géantes à longue période orbitale (>5 UA) et complètent les études statistiques basées sur les vitesses radiales.

Les chocs sans collision sont omniprésents dans l'Univers, notamment dans les restes de supernova, et sont formés via diverses instabilités plasmas dépendant essentiellement de la vitesse et de la magnétisation des flux de plasmas. La description de tels chocs nécessite une approche cinétique, tant analytique que numérique.Dans cette thèse, nous avons étudié, au travers de simulations Particle-In-Cell (PIC), les processus sous-jacents par lesquels les instabilités rentrent en compétition les unes avec les autres. Nous avons montré que la diminution du rapport des masses entre ions et électrons, souvent utilisée en simulations numériques pour accélérer la dynamique des chocs, peut avoir de fortes conséquences sur le transfert d'énergie entre particules durant la phase non-linéaire des instabilités.Ces dernières, comme l'instabilité acoustique ionique (IAI) amènent sous certaines conditions à la formation de chocs électrostatiques, pouvant donner naissance à la formation de trous dans l'espace des phases, se propageant dans la région aval du choc, et accélérant ce dernier. L'ajout d'un champ magnétique externe conduit à un changement de médiation du choc, pouvant varier entre l'IAI et les ondes magnéto-soniques lente ou rapide en fonction de l'obliquité entre le champ magnétique et la normale au choc. De plus, nous avons montré que l'orientation du champ magnétique permet de choisir entre une dispersion convexe ou concave des ondes plasma conduisant à la création d'ondes précurseurs dans les régions amont ou aval du choc.Ces chocs magnétisés se trouvent être correctement représentés par le modèle magnétohydrodynamique (MHD) tant qu'ils restent laminaire et que leur potentiel dans la région aval n'est pas suffisamment grand pour réfléchir les particules du milieu amont.Nous avons montré que même pour des chocs sous critiques, une fraction d'ions réfléchis, ne pouvant pas être représentés par la MHD, est suffisante à la croissance d'ondes solitaires en amont du choc, conduisant à l’accélération de ce dernier, mais pas à un processus d'auto-reformation comme pour les chocs super critiques.Bien que les échelles spatio-temporelles soient très différentes, les lois d'échelle rendent possible l'étude de tels phénomènes en laboratoire. Nos études numériques ont été faites dans un cadre de type tube à choc pouvant être testé expérimentalement.A ce titre, nous proposons dans cette thèse une expérience sur la création d'îlots magnétiques, formés par l’interaction de plasmas générés par l'irradiation de cibles par laser baignant dans un champ magnétique externe, et conduisant à la formation de tels chocs.Enfin, nous avons démontré expérimentalement et numériquement la formation de chocs électromagnétiques sans collisions par le biais de l'instabilité de Weibel stimulée par l'instabilité de batterie Biermann, conduisant à l'accélération de particules par le mécanisme de Fermi. Ce nouveau type d'expérience pourrait expliquer l'origine du rayonnement cosmique provenant des restes de supernova. / Collisionless shocks are ubiquitous in the Universe, especially in the supernova remnants, and are formed via various plasma instabilities mainly depending on the speed and magnetization of plasma flows. The description of such shocks requires a kinetic approach, both analytical and numerical.In this thesis, we have studied, through Particle-In-Cell (PIC) simulations, the underlying processes by which instabilities compete with each other.We have shown that the reduction of the ion-to-electron mass ratio, often used in numerical simulations to accelerate the dynamics of shocks, can have strong consequences on the energy transfer between particles during the non-linear phase of instabilities.These instabilities, like the ionic acoustic instability (IAI) lead under certain conditions to the formation of electrostatic shocks, which can give rise to phase space holes formation, propagating in the downstream shock region, and accelerating the shock.The addition of an external magnetic field leads to different shock mediation, which can vary between the IAI to the slow or fast magneto-sonic waves as a function of the obliquity between the magnetic field and the shock normal.Furthermore, we have shown that the orientation of the magnetic field makes it possible to choose between a convex or concave dispersion of the plasma waves leading to the creation of precursor waves in the upstream or downstream shock regions.These magnetized shocks are correctly represented by the magnetohydrodynamic (MHD) model as long as they remain laminar and their potential in the downstream region is not large enough to reflect the particles of the upstream medium.We have shown that even for sub-critical shocks, a fraction of reflected ions, which cannot be modeled by the MHD, is sufficient for the growth of solitary waves upstream of the shock, leading to the acceleration of the latter, but not to a process of 'self-reformation' as for super-critical shocks.Although spatio-temporal scales are very different, scaling laws make possible the study of such phenomena in the laboratory. Our numerical studies have been done in the context of shock tubes that can be experimentally tested.As such, we propose in this thesis an experiment on the creation of magnetic islands, formed by the interaction of plasmas generated by the irradiation of laser targets bathed in an external magnetic field, leading to the formation of such shocks.Finally, we experimentally and numerically demonstrated the formation of collisionless electromagnetic shocks through the Weibel instability stimulated by theBiermann Battery instability, and leading to particle acceleration by the Fermi mechanism.This new type of experiment could explain the origin of cosmic radiation from supernova remnants.

Les sursauts gamma se divisent entre sursauts courts, issus de la coalescence de deux objets compacts, et sursauts longs, issus de l'effondrement d'une étoile très massive de type Wolf-Rayet. Ce phénomène cataclysmique produit un jet ultra-relativiste. La dissipation de l'énergie au sein de ce jet est à l'origine d'une bouffée de photons gamma (keV-GeV) d'une durée moyenne de 10 s que l'on nomme émission prompte. Elle est suivie d'une phase d'émission rémanente détectable en X, en optique et en radio qui est visible de quelques secondes après le sursauts à quelques jours voir semaines et provient de la dissipation de l'énergie du jet dans le milieu environnant. Il s'agit des événements transitoires les plus lumineux que nous connaissons ce qui permet de les détecter jusqu'à des valeurs de décalage cosmologique (redshift) de l'ordre de 8-9. Cela permet l'exploration du diagramme de Hubble à grand redshift qui reste encore mal connu. Mais pour cela, il est nécessaire de standardiser ces sources astrophysiques afin de calibrer leur luminosité. Diverses relations, liant la luminosité des sursauts gamma à un paramètre indépendant de la cosmologie, ont été mises en évidence permettant de transformer les sursauts en " chandelles standards ". Au cours de cette thèse, nous avons étudié ces relations afin d'apporter un éclairage nouveau sur la façon dont elles sont affectées par divers effets de sélection instrumentaux. Les relations spectrales lient la luminosité isotropique ou l'énergie isotropique à l'énergie du maximum spectral de l'émission prompte. Nous avons montré que la combinaison de deux effets de sélection (détection puis mesure du redshift) permettait d'expliquer les contradictions entre les études reposant sur les sursauts avec redshift et celles incluant les sursauts sans redshift. Cela a conduit à la mise en évidence d'un lien entre l'émission prompte en gamma et l'émission rémanente en optique. Nous nous sommes également intéressé à l'une des relations temporelles, celle reliant Liso au délai spectral. Ce paramètre correspond à la différence entre le temps d'arrivée des photons de hautes et de basses énergies. Après avoir développé notre propre méthode de calcul de cette quantité, nous avons obtenu des résultats intéressants sur les distributions de ce paramètre et son lien avec l'évolution spectrale au sein des sursauts gamma. Nous avons également mis en évidence l'existence d'effets de sélection impactant cette relation et compromettant son usage pour la cosmologie. Plus généralement, cette thèse a permis de mettre en évidence la complexité de la standardisation des sursauts gamma qui ne peut être faites de manière aussi simple que celle utilisée jusqu'à présent. Nous avons montré qu'une étude détaillée des effets de sélection qui affectent ces relations de standardisation est un préalable indispensable avant toute utilisation de ces dernières à des fins cosmologiques. / GRBs are divided between short bursts, resulting from the coalescence of two compact objects, and long bursts, resulting from the collapse of a very massive star (Wolf-Rayet type). This cataclysmic phenomenon produces an ultra-relativistic jet. Energy dissipation in this jet produces flashes of gamma photons (keV-GeV) with an average duration of 10 seconds which is called prompt emission. It is followed by a detectable afterglow phase in X, optical and radio band which is visible from a few seconds after the bursts to several days or weeks and results from the dissipation of the energy contained in the jet into the surrounding medium. They are the most luminous transient events that we know, which can be detected up to redshifts of about 8-9. Being so bright, GRBs may allow the exploration of the Hubble diagram at high redshift, which is still poorly understood. To do this, it is however necessary to standardize these astrophysical sources and calibrate their brightness. Various relationships linking the intrinsic luminosity of GRBs with a parameter independent from cosmology have been highlighted allowing GRBs standardization. To achieve this goal, it is necessary to assess whether the observed correlations represent an intrinsic property of GRBs. In this thesis, we study selection effects to understand their impact on several relations which have been used to standardize GRBs. Spectral relationships connect the isotropic brightness or isotropic energy, and the peak energy of the prompt emission. We show that a combination of two selection effects, respectively associated with the GRB detection and the measure of their redshift, explains the contradiction between studies based on GRBs with a redshift and studies based on larger samples of GRBs without a redshift. Our study led us to discover a link between the prompt gamma emission and the optical afterglow that is a first step to understand the link between these two phases of the gamma-ray burst emission. Among the second category of relations, we focused on the relation between the luminosity and the spectral lag of the prompt emission. This parameter corresponds to the difference between the times of arrival of GRB photons at high and low energies. We developed our own method for the measure of the spectral lag, which led us to discuss the distribution of this parameter and its relationship to the spectral evolution within GRBs. We also confirmed the existence of selection effect affecting this relationship and compromising its use for cosmology. This thesis highlights the strong impact of observational selection effects on the relations which have been proposed for GRB standardization. We conclude that the study of selection effects is essential to understand if the relations proposed for the standardization of GRBs are intrinsic or due to selection effects, and if they can be used for cosmological purposes.

Qu'ont en commun la détection de carbone atomique à un redshift de 4, la cartographie à 1" de résolution de l'émission 12CO(1-0) de la galaxie du tourbillon (M51), l'étude des avant-plans galactiques de Planck, et l'étude de la cinématique du disque et du flot moléculaire de la proto-étoile HH30 ? Au-delà du fait qu'elles sont réalisées dans le domaine (sub-)millimétrique, ces observations sont liées aux processus physiques et chimiques du milieu interstellaire. Caractériser ces processus permet de comprendre les objets les plus divers de l'univers, des plus proches au plus lointains, des plus petits au plus grands. Je décris ici une décennie de travail consacrée à la compréhension du milieu interstellaire. Je commence par présenter deux des approches scientifiques que j'ai prises. La première concerne la caractérisition d'une des transitions les moins bien comprises du gaz dans son chemin vers la formation des étoiles, à savoir la transition HI vers H2.Je montre comment l'interprétation de l'émission 12CO(1-0) pointe tout autant vers le milieu dense et froid que vers le milieu diffus et tiède. Dans un 2ème temps, je décris la nécessité et la mise en place d'une référence observationnelle (la chevelure de la nébuleuse de la Tête de Cheval) pour les modéles photochimiques, eux-mêmes utilisés dans tous les contextes évoqués ci-dessus. La décennie qui vient sera aussi féconde grâce à plusieurs événements. Tout d'abord, la communauté qui étudie le milieu interstellaire se structure rapidement autour de grands projets. A mon niveau, je suis porteur du contrat ANR << Structure and CHemistry of the Inter-Stellar Medium >> (SCHISM) qui réunit observateurs, numériciens et théoréticiens de l'IRAM et de l'Observatoire de Paris. Par ailleurs, l'instrumentation radio fait des progrès spectaculaires qui vont déboucher sur la spectro-imagerie grand champ à haute résolution angulaire et spectrale. L'IRAM a un rôle prépondérant dans cette aventure et j'y contribue au niveau logiciel et algorithmique. Enfin, je participe à la maturation des nouveaux instruments comme les caméras grand-champs pour les antennes uniques et les projets ALMA et NOEMA en interférométrie (sub-)millimétrique. La conjonction de ces facteurs contribuera à percer à jour l'origine des galaxies, des étoiles, des systèmes planétaires et des molécules prébiotiques.

L'instrumentation Cigale basé sur un interféromètre de Perot-Fabry permet d'obtenir une spectroscopie de la raie H alpha dans un grand champ. Cette instrumentation est utilisée sur un petit télescope pour observer la galaxie et le Petit Nuage de Magellan pour comprendre leur structure tridimensionnelle. Nous présentons un multispectromètre a dispersion croisée permettant de couvrir le domaine spectral d'un réseau avec la grande résolution spectrale du Perot-Fabry, et ceci simultanément pour les différents points d'une source bidimensionnelle. Il est integral de champ (au sens de Courtes 1987), par la trame de lentilles qui permet d'isoler des points contigus d'une image. Il est multicanal, intégral spectral (au sens de Chabbal 1958), car il permet d'obtenir tous les éléments spectraux au cours du balayage pas à pas d'un seul ordre du Perot-Fabry. Pour 40 canaux de balayage, on obtient simultanément 400 spectres de résolution spectrale R30000 sur un domaine de 200 NM environ dans le visible pour un récepteur de 20002000 éléments.

Après une étude théorique, puis modélisée, de l'analyse d'une image dans le plan focal d'un télescope par un détecteur à deux dimensions (chapitre 1) et un bref rappel de physique du solide (chapitre 2) on étudie un détecteur infrarouge bidimensionnel de 32x32 l'IRCCD. La description d'une caméra astronomique basée sur ce détecteur, et des choix effectués dans sa réalisation est donnée (chapitre 3). L'attention est portée sur les problèmes de l'observation sous fort flux de photons du fond. Un chapitre entier est consacré à une étude détaillée de l'IRCCD et de ses caractérisriques (chapitre 4). On décrit ensuite l'ensemble du système monté sur télescope, ainsi que les procédures d'observation adoptées (chapitre 5). Quelques résultats de mesure et de calibration sur télescope sont proposés. Le dernier chapitre est consacré à la présentation de résultats astrophysiques préliminaires.

Pour préparer les futures missions sur satellites en radioastronomie, le CNES est responsable d'un projet de ballon stratosphérique appelé PRONAOS-SMH pour lequel notre laboratoire doit construire le récepteur à 380 GHz. Ce projet est décrit dans l'introduction. Dans le premier chapitre, j'expose les bases de la supraconductivité, de l'effet Josephson et du fonctionnement du mélangeur SIS. Le chapitre II développe la technologie utilisée pour la fabrication des jonctions SIS: les principes de l'évaporation, de la pulvérisation, de la gravure et de la photolithographie y sont expliqués. Le troisième chapitre est plus particulièrement consacré à la description et à l'optimisation du procédé de fabrication des jonctions en Nb/AI-A1Ox/Nb. Des jonctions fiables de petite dimension (1 micron carré) et de forte densité de courant sont obtenues. Les études nécessaires pour parvenir à ce résultat sont détaillées. L'intégration de ces jonctions dans des récepteurs millimétriques et submillimétriques est décrite dans le chapitre IV. Les premiers résultats obtenus dans le récepteur à 380 GHz sont prometteurs : une température de bruit de 310 K DSB pour le récepteur dans son ensemble a été mesurée à 374 GHz.