Dans cette thèse sur articles nous nous intéressons aux contraintes observationnelles sur les modèles d'inflation cosmologique et nous étudions certains aspects fondamentaux liés à la nature quantique de la physique inflationnaire. Nous commençons par analyser de façon systématique les modèles à un champ scalaire et avec terme cinétique standard. Dans l'approximation du roulement lent, et en intégrant les contraintes venant du réchauffement, nous dérivons les prédictions associées à environ 75 potentiels. Nous utilisons ensuite les techniques d'inférence Bayésienne pour classer près de 200 modèles inflationnaires et contraindre leurs paramètres. Cela permet d'identifier les modèles favorisés par les observations et de quantifier les niveaux de tensions entre les différents jeux de données. L'intérêt d'une telle approche est renforcé par l'étude de méthodes indépendantes du modèle telle que le ``flot de Hubble'', qui se révèle biaisé. Nous calculons également le spectre de puissance au deuxième ordre pour les modèles d'inflation-k.Ensuite, nous décrivons certains aspects quantiques de la physique inflationnaire. Le formalisme de l'inflation stochastique est notamment utilisé dans le cadre du modèle à deux champs d'inflation hybride. Nous discutons les corrections quantiques sur les prédictions de ce modèle, et à l'aide d'un formalisme récursif, nous nous intéressons à la façon dont elles modifient l'amplitude des perturbations. Finalement, la transition quantique-classique et le problème de la mesure quantique sont étudiés dans un contexte cosmologique. Un modèle de réduction dynamique du paquet d'onde est appliqué à la description des perturbations inflationnaires. / This thesis by publication is devoted to the study of the observational constraints on cosmological inflationary models, and to the investigation of fundamental aspects related to the quantum nature of the inflationary physics.We first present a systematic analysis of all single-scalar-field inflationary models with canonical kinetic terms. Reheating consistent slow-roll predictions are derived for ~ 75 potentials, and Bayesian inference and model comparison techniques are developed to arrange a landscape of ~ 200 inflationary models and associated priors. In this way, we discuss what are the best models of inflation, and we properly quantify tension between data sets. Related to this massive sampling, we highlight the shortcomings of model independent approaches such as the one of ``horizon-flow''. We also pave the way for extending our computational pipeline to k-inflation models by calculating the power spectrum at next-to-next-to leading order for this class of models.In a second part, we describe some aspects related to the quantum nature of the inflationary setup. In particular, we make use of the stochastic inflation formalism, which incorporates the quantum corrections to the inflationary dynamics, in the two-field model of hybrid inflation. We discuss how the quantum diffusion can affect the observable predictions in such models, and we design a recursive strategy that incorporates its effects on the perturbations amplitude. Finally, we investigate the quantum-to-classical transition and the quantum measurement problem in a cosmological context. We apply a dynamical wavefunction collapse model to the description of inflationary perturbations.

Les trous noirs supermassifs résident dans les centres de la plupart des galaxies massives et on observe des corrélations entre leurs masses et les propriétés de leurs galaxies hôtes. De plus, on observe des trous noirs de plus d’un milliard de masses solaires quelques centaines de millions d’années seulement après le Big Bang. Ces trous noirs supermassifs présents dans l’univers jeune ne sont que le sommet de l’iceberg de l’ensemble de la population de trous noirs, mais ils mettent en question notre compréhension de la formation et de la croissance des premiers trous noirs. Notre nouvelle méthode améliorant le calcul de la densité de colonne de H2 donne des probabilités pour former des graines massives de trous noirs qui sont plus d’un ordre de grandeur plus élevées que prédit précédemment. Nous trouvons que CR7 pourrait être le premier candidat à héberger un tel trou noir formé par effondrement direct et nous démentons l’existence initialement revendiquée d’une population stellaire massive primordial dans CR7. Nous calculons la densité des taux de fusion des trous noirs binaires des premières étoiles et leurs taux de détection avec aLIGO. Notre modèle démontre que les détections des ondes gravitationnelles à venir au cours des prochaines décennies permettront d’imposer des contraintes plus strictes sur les propriétés des premières étoiles et donc sur les scénarios de formation des premiers trous noirs. Nous développons un modèle analytique en 2D de la rétroaction des noyaux actifs de galaxie pour démontrer qu’un profil de disque plus réaliste réduit la quantité de gaz qui est éjectée du halo par rapport aux modèles 1D existants. La rétroaction empêche l’accretion de gaz sur le trou noir central pendant seulement ∼1 million d’année environ, ce qui permet une accretion de gaz presque continue dans le plan du disque. Avec cette thèse, je contribue à une meilleure compréhension de la formation et la croissance des premiers trous noirs supermassifs. / Supermassive black holes reside in the centres of most massive galaxies and we observe correlations between their mass and properties of the host galaxies. Besides this correlation between a galaxy and its central black hole (BH), we see BHs more massive than one billion solar masses already a few hundred million years after the Big Bang. These supermassive BHs at high redshift are just the tip of the iceberg of the entire BH population, but they challenge our understanding of the formation and growth of the first BHs. Our improved method to calculate H2 self-shielding yields probabilities to form massive seed BHs that are more than one order of magnitude higher, than previously expected. We find that CR7 might be the first candidate to host such a direct collapse BH and we disprove the initially claimed existence of a massive metal-free stellar population in CR7. We calculate the merger rate density of binary BHs from the first stars and their detection rates with aLIGO. Our model demonstrates that upcoming detections of gravitational waves in the next decades will allow to put tighter constraints on the properties of the first stars and therefore on formation scenarios of the first BHs. We develop a 2D analytical model of active galactic nuclei-driven outflows to demonstrate that a more realistic disc profile reduces the amount of gas that is ejected out of the halo, compared to existing 1D models. The outflow prevents gas accretion on to the central BH for only about ∼1Myr, which permits almost continuous gas inflow in the disc plane. With this thesis, I contribute to a better understanding of the formation and growth of the first supermassive BHs.

Le rayonnement fossile, ou CMB, est un sujet d’étude clé pour la cosmologie car il indique l’état de l’univers à une époque primordiale. Le CMB est observable dans le ciel dans la bande de fréquences des micro-ondes. Cependant, il existe des processus astrophysiques, les avant-plans, qui émettent dans les micro-ondes, et rendent indispensable le traitement des données avec des méthodes de séparation de composantes. J'utilisé la méthode aveugle SMICA pour obtenir une estimation directe du spectre de puissance angulaire du CMB. La détermination des petites échelles de ce spectre est limité par les avant-plans comme les galaxies lointaines, et par le biais du bruit. Dans cette analyse, ces deux limitations sont abordées. En ajoutant des hypothèses sur la physique des galaxies lointaines, il est possible de guider l’algorithme pour estimer leur loi d'émission. Un spectre de puissance angulaire obtenu d'une carte du ciel a un biais dû au bruit à petites échelles. Toutefois, les spectres obtenus en croisant différentes cartes n'ont pas ce biais. J'ai donc adapté la méthode SMICA pour qu'elle n'utilise que ces derniers, diminuant l'incertitude due au bruit dans l'estimation du CMB. Cette méthode a été étudiée sur des nombreuses simulations et sur les données Planck 2015, afin d'estimer des paramètres cosmologiques. Les résultats montrent que la contamination résiduelle des avant-plans présente dans le spectre CMB, même si fortement réduite, peut introduire des biais dans l'estimation des paramètres si la forme des résiduels n'est pas bien connue. Dans cette thèse, je montre les résultats obtenus en étudiant un modèle de gravité modifiée. / The Planck satellite observed the whole sky at various frequencies in the microwave range. These data are of high value to cosmology, since they help understanding the primordial universe through the observation of the cosmic microwave background (CMB) signal. To extract the CMB information, astrophysical foreground emissions need to be removed via component separation techniques. In this work I use the blind component separation method SMICA to estimate the CMB angular power spectrum with the aim of using it for the estimation of cosmological parameters. In order to do so, small scales limitations as the residual contamination of unresolved point sources and the noise need to be addressed. In particular, the point sources are modelled as two independent populations with a flat angular power spectrum: by adding this information, the SMICA method is able to recover the joint emission law of point sources. Auto-spectra deriving from one sky map have a noise bias at small scales, while cross-spectra show no such bias. This is particularly true in the case of cross-spectra between data-splits, corresponding to sky maps with the same astrophysical content but different noise properties. I thus adapt SMICA to use data-split cross-spectra only. The obtained CMB spectra from simulations and Planck 2015 data are used to estimate cosmological parameters. Results show that this estimation can be biased if the shape of the (weak) foreground residuals in the angular power spectrum is not well known. In the end, I also present results of the study of a Modified Gravity model called Induced Gravity.

L’objet de cette thèse est de montrer qu’il existe une contiguïté entre les formes de la littérature et celles de l’univers.L’analyse part de la perspective d’Italo Calvino qui fonde son esthétique sur un rapport entre le langage et les formes du cosmos et annonce de manière explicite qu’il considère la littérature comme une philosophie naturelle et qu’il veut reprendre le fil d’un ancien discours qui débute avec la philosophie matérialiste présocratique. En faisant de Lucrèce son maître, Calvino reprend l’idée du rapport entre les paroles et les atomes. L’oeuvre de Lucrèce De Rerum Natura se fonde sur l’idée régulatrice de l’existence de combinaisons infinies des différents éléments. Cette théorie des combinaisons infinies des éléments minuscules qui composent l’univers et le monde du langage est centrale chez Giordano Bruno, qui est un disciple de Lucrèce. Nous constatons que la structure mobile du Roland furieux suggère à Italo Calvino l’idée d’une littérature « ouverte ». / The objective of this thesis is to show that literature and the universe present a very closeness in their forms. This analysis starts from Italo Calvino’s perspective, which founds this author’s aesthetics on a relationship between language and the forms of the cosmos. He then explicitly announces that he considers literature to be a natural philosophy and that he intends to resume the thread of some ancient discourse initiating with pre-socratic materialistic philosophy.By acknowledging Lucretius as his master, he will develop the link between words and atoms. Lucretius’ work De la Natura is based, as we will view it on one conception: infinite combinations between the different elements. This theory on infinite combinations between the minute elements which constitute the universe and the world as well as with the world of language is a core notion in Giordano Bruno’s work. He also happened to be a disciple of Lucretius. The idea of literature as conceived as a cosmic space in mutation in L’Arioste becomes determining.

Le Feng shui regroupe les connaissances des Chinois sur les notions de temps, d’espace, d’environnement et lieu de vie (ville et habitation). C’est en effet le Feng shui qui a guidé, dès son « avènement » presque toutes les constructions édifiées pour les vivants et pour les morts en Chine. Aujourd’hui l’écologie et la protection de l’environnement sont les premières questions à prendre en compte dans la conception architecturale. Face à l’idée transmise par le Feng shui , nous ne pouvons pas nous empêcher de penser qu’une telle discipline si ancienne, très centrée sur l’environnement et l’habitation, peut servir de référence et d’inspiration au design de l’architecture moderne et au traitement de l’environnement . La question fondamentale de cette recherche est de savoir quelle est, ou quelles sont, la ou les véritable(s) source(s) de la pensée Feng shui. Au travers de nos recherches, nous tenons à prendre un certain recul vis-à-vis de la multitude de méthodes du Feng shui pour pouvoir pleinement nous concentrer sur leur philosophie transversale et ainsi tenter de synthétiser les différentes approches que l’on peut avoir de l’ensemble du monde Feng shui. Nous avons trouvé deux grands « fils rouges » de la doctrine Feng shui .Premier fil : le « qi 气» est la matière fondamentale de la composition du monde. Deuxième fil : La temporalité et l’action du Ciel comprise comme une puissance impersonnelle et ordonnatrice s’exerçant sur le monde au travers des régularités naturelles. Cette recherche est dans le but de construire une structure de recherche sur le sujet de « l’application du FENG SHUI dans la conception architecturale contemporaine et son environnement ». / The Feng shui brings together the knowledge of the Chinese on the notions of time, space, environment and all the building infrastructures. It is indeed Feng shui has guided, from its "coming" almost all the buildings constructed for the living and for the dead in China. Modern ecology and environmental protection are the top priorities to be considered in architectural design. Faced with the idea transmitted by the Feng shui, we can’t help thinking that such ancient discipline, very focused on the environment and housing, can serve as a reference and inspiration in the design of contemporary architecture and treatment of the environment. The basic question of this research is to know what was, or what were, the true (s) source (s) of the doctrine of Feng shui. Through our research, we want to take a step back to the multitude of methods of Feng Shui, and intended to fully concentrate on their cross philosophy, and try to synthesize the different approaches that can have globally of the Feng shui. We have found two major "red threads" of Feng shui .First thread: the "qi 气" is the basic material of the composition of the world. Second thread: Temporality and action of Heaven understood as an impersonal power and instructing exerted on the world through natural regularities. This research is in order to build a research facility on the topic of "the application of Feng Shui in contemporary architectural and environment design" and we hope that this first step will be considered important to the continued reflection.

Deux problématiques sont abordées dans cette thèse: la formation de galaxies spirales et la détection de la matière noire (MN).Nous étudions trois simulations cosmologiques hydrodynamiques de haute résolution zoomées sur des halos de propriétés similaires à celui de la Voie Lactée que nous réalisons avec le code à grille adaptative RAMSES. Nous analysons les distributions d'étoiles et de gaz et constatons qu'une de nos galaxies simulées possèdent des propriétés intéressantes par rapport à la Voie Lactée. Nous obtenons un disque stellaire étendu et une courbe de rotation plate avec la vitesse de rotation et la densité locale de MN en accord avec les observations. En ce qui concerne la distribution de MN, nous analysons l'interaction avec les baryons et nous montrons explicitement comment le profil de densité de MN est aplatie par les processus de feedback.Dans le cadre de cette simulation, nous étudions les incertitudes astrophysiques sur la détection directe en analysant les quantités importantes comme la densité locale de MN, sa distribution de vitesse et la vitesse d'échappement locale. De plus, nous considérons plusieurs sélections de distribution de MN et d'étoiles et estimons ainsi la variabilité du taux de détection.Dans le cadre cohérent de la simulation, nous calculons les signaux d'annihilation et de désintégration de MN en rayons gamma ainsi que le fond diffus, que nous modélisons en utilisant les explosions de supernovae comme sources de rayons cosmiques qui produisent les rayons gamma par spallation sur la distribution de gaz. Les configurations de la matière noire et des baryons induisent une situation défavorable à la détection indirecte de la MN. / The thesis tackles two topics: the formation of spiral galaxies and the detection of dark matter (DM).We study three high resolution cosmological hydrodynamical simulations of Milky Way-sized halos including a comparison with the corresponding DM-only runs performed with the code RAMSES. We analyze the stellar and gas distribution and find one of our simulated galaxies with interesting Milky Way like features with regard to several observational tests. We obtain an extended disk and a flat rotation curve with a circular velocity and a DM density in the solar neighborhood that are in agreement with observations. Following observational procedures, we rederive the stellar-to-halo mass ratio and obtain competitive values for this criterion. Concerning the DM distribution, we explicitly show the interaction with the baryons and show how the DM is first contracted by star formation and then cored by feedback processes.In the framework of the simulation, we analyze the astrophysical uncertainties relevant for direct detection by studying the involved quantities like the local DM density, the DM velocity distribution and the local escape velocity . Furthermore, we consider various selections of DM and star distributions and estimate the variability of the detection rate.Within the self-consistent framework of the simulation, we calculate the DM annihilation and decay gamma ray (GR) signals as well as the diffuse GR background, that we model using the supernovae explosions as cosmic ray sources which produce GRs by spallation on the gas distribution. The cored DM profile and the high central baryonic densities induce a challenging configuration for indirect DM detection.

Les travaux présentés dans cette thèse contraignent la masse des neutrinos dans le contexte de 4 modèles de matière noire en utilisant le spectre de puissance du flux transmit dans les forêts Lyman-alpha des quasars distants. Les neutrinos laissent une emprunte sur les grandes structures dans l'Univers à travers l'échelle à laquelle ils diffusent, qui se manifeste comme un déficit de fluctuations de densité de matière sur des distances inversement proportionnelles à leur masse. De l'ordre de quelques Mpc, ces échelles peuvent être sondées par les forêts Ly-$alpha$ qui tracent la densité d'hydrogène neutre atomique suivant la ligne de visée du quasar en arrière-plan. J'utilise le spectre de puissance Ly-$alpha$ construit grâce à deux relevés de grandes structures:les $13,821$ spectres optiques de quasars basse-résolution de la 9ème publication des données du SDSS/BOSS à 12 redshifts de $langle z rangle = 2.2$ à $4.4$; ainsi que la centaine de spectres de quasar haute-résolution du relevé XQ-100 du VLT à $langle z rangle = 3.20, 3.56$ et $3.93$. Ces deux relevés nous permettent de sonder les échelles de $k geqslant 0.001~s/mathrm{km}$ à $k leqslant 0.02$ et $k leqslant 0.07~ s/mathrm{km}$ respectivement.Modéliser le spectre de puissance Ly-$alpha$ nécessite résoudre le régime non-linéaire de formation des structure et modéliser le gaz inter-galactique dans les simulations cosmologiques hydrodynamiques destinées à cet effet. Je contrôle pour plusieurs incertitudes systématiques liées à ces simulations. Dans un premier temps, je quantifie la variance d'échantillonnage à l'aide de simulations tournées avec différentes conditions initiales. Dans un second temps, je teste la validité d'une méthode permettant de construire le spectre de puissance à partir de simulations plus petites et moins résolues. Pour ce, j'ai tourné une simulation évoluant $2 times 2048^3$ particules de matière noire et de baryons dans un covolume de $(100~h^{-1}mathrm{Mpc})^3$. Ce travail a permit à notre groupe d'améliorer les contraintes sur la masse des neutrinos de $sum m_nu < 0.15~mathrm{eV}$ établie précédemment à $sum m_nu < 0.12~mathrm{eV}$ à $95%$ de vraisemblance. J'ai ensuite tourné mes efforts vers l'implémentation de neutrinos stériles en tant qu'un candidat matière noire non-froide dans les simulations. En particulier, j'ai produit les contraintes les plus fortes (au moment de la publication) sur la masse des neutrinos stériles en tant que matière noire tiède: $m_nu lesssim 25~mathrm{keV}$ à $95%$ de vraisemblance. J'ai étendu l'étude dans le contexte d'une matière noire mixte et contraint l'abondance relative de la composante tiède par rapport à la froide. Enfin, j'ai complété ce travail en permettant une résonance dans la production des neutrinos stériles, réduisant ainsi leur échelle caractéristique de diffusion et refroidissant la matière tiède qu'ils incorporent. A ce but, j'ai initié une collaboration avec une équipe de physiciens théoriques impliqués dans les recherches astrophysiques de ces neutrinos stériles dits produits par résonance dans des objets riches en matière noire. Notre jeune collaboration a établi les premières contraintes sur leur masse en utilisant le spectre de puissance Ly-$alpha$. / In the work presented in this thesis, I use the power spectrum of the transmitted flux in the Lyman-alpha (Ly-$alpha$) forest of distant quasars to constrain the mass of cosmological neutrinos in the context of four seperate projects. Neutrinos leave a signature imprint on large scale structures in the Universe through their free-streaming, which manifests as a deficit of matter density fluctuations on typical length scales that are inversely proportional to their rest mass. This typical free-streeming scale, of order a few Mpc, can be probed by Ly-$alpha$ forests which are imprints of the neutral atomic Hydrogen density along the background quasar's line-of-sight. I use the Ly-$alpha$ flux power spectrum from mainly two large scale structure surveys: the $13,821$ low-resolution quasar spectra from the ninth data release of SDSS (BOSS) in 12 redshift bins from $langle z rangle = 2.2$ to $4.4$; and the $100$ high-resolution quasar spectra from the XQ-100 survey (of the VLT's XShooter spectrograph) in 3 redshift bins, $langle z rangle = 3.20, 3.56$ and $3.93$. This enables us to probe scales from $k geqslant 0.001~s/mathrm{km}$ to $k leqslant 0.02$ and $k leqslant 0.07~ s/mathrm{km}$ respectively.Modeling the flux power spectrum requires solving the non-linear regime of structure formation and the intergalactic gas in the cosmological hydrodynamics simulations that are used to that effect. I controlled for several of many systematic uncertainties related to the simulations. First, I ran simulations with different initial conditions to quantify the sampling variance. I then tested the accuracy of a splicing technique that we use to construct the flux power spectrum from lower size and lower resolution simulations. This required producing a complete run of a $(100~h^{-1}mathrm{Mpc})^3$ comoving cube containing $2 times 2048^3$ dark matter particles and baryons. This enabled our working group to enhance the previously established constraints on the sum of neutrino masses from $sum m_nu < 0.15~mathrm{eV}$ to the most stringent constraint to date $sum m_nu < 0.12~mathrm{eV}$ with $95%$ confidence. I then worked on implementing right-handed neutrinos in non-cold dark matter cosmological frameworks. A substancial amount of work has gone into applying plausible initial conditions that would accurately model the free-streaming effect of these types of particles. I put the most stringest constraints (at the time of publication) on the mass of non-resonantly produced sterile neutrinos as pure warm dark matter candidates, $m_nu lesssim 25~mathrm{keV}$ at $95%$ confidence. I extended this investigation into a mixed warm plus cold dark matter cosmology. Finally, I implement right-handed neutrinos produced in presence of a lepton asymmetry which boosts their production and lowers their free-streaming scale. I started a collaboration with a team of theoretical physicists involved in searching for astrophysical evidence for the existance of such resonantly-produced right-handed neutrinos in dark matter rich systems. Our new-born collaboration has enabled the first ever constraints on their mass using the Ly-$alpha$ forest power spectrum.

L'effet de lentille gravitationnelle, qui se traduit par une deformation des images nous parvenant de galaxies lointaines, constitue l'une des techniques les plus prometteuse pour répondre aux nombreuses questions portant sur la nature de l'énergie sombre et de la matière noire. Cet effet de lentille étant sensible à la masse totale, il permet de sonder directement la distribution de matière noire, qui resterait autrement invisible. En mesurant la forme d'un grand nombre de galaxies lointaines, il est possible d'estimer statistiquement les déformations causées par l'effet de lentille gravitationnelles puis d'en inférer la distribution de masse à l'origine de ces deformations. La reconstruction de ces cartes de masses constitue un problème inverse qui se trouve être mal posé dans un certain nombre de situations d'interêt, en particulier lors de la reconstruction de la carte de masse aux petites échelles ou en trois dimensions. Dans ces situations, il devient impossible de reconstruire une carte sans l'ajout d'information a priori.Une classe particulière de méthodes, basées sur un a priori de parcimonie, s'est révélé remarquablement efficace pour résoudre des problèmes inverses similaires pour un large champ d'applications tels que la géophysique et l'imagerie médicale. Le but principal de cette these est donc d'adapter ces techniques de régularisation parcimonieuses au problème de la cartographie de la matière noire afin de developper une nouvelle generation de méthodes. Nous développons en particulier de nouveaux algorithmes permettant la reconstruction de carte masses bi-dimensionnelles de haute resolution ainsi que de cartes de masses tri-dimensionnelles. Nous appliquons de plus les mêmes méthodes de régularisation parcimonieuse au problème de la reconstruction du spectre de puissance des fluctuations primordiales de densités à partir de mesures du fond diffus cosmologique, ce qui constitue un problème inverse particulièrement difficile a résoudre. Nous développons un nouvel algorithme pour résoudre ce problème, que nous appliquons aux données du satellite Planck.Enfin, nous investiguons de nouvelles méthodes pour l'analyse de relevés cosmologiques exprimés en coordonnées sphériques. Nous développons une nouvelle transformée en ondelettes pour champs scalaires exprimés sur la boulle 3D et nous comparons différentes méthodes pour l'analyse cosmologique de relevés de galaxies spectroscopiques. / Gravitational lensing, that is the distortion of the images of distant galaxies by intervening massive objects, has been identified as one of the most promising probes to help answer questions relative to the nature of dark matter and dark energy. As the lensing effect is caused by the total matter content, it can directly probe the distribution of the otherwise invisible dark matter. By measuring the shapes of distant galaxies and statistically estimating the deformations caused by gravitational lensing, it is possible to reconstruct the distribution of the intervening mass. This mass-mapping process can be seen as an instance of a linear inverse problem, which can be ill-posed in many situations of interest, especially when mapping the dark matter on small angular scales or in three dimensions. As a result, recovering a meaningful mass-map in these situations is not possible without prior information. In recent years, a class of methods based on a so-called sparse prior has proven remarkably successful at solving similar linear inverse problems in a wide range of fields such as medical imaging or geophysics. The primary goal of this thesis is to apply these sparse regularisation techniques to the gravitational lensing problem in order to build next-generation dark matter mass-mapping tools. We propose in particular new algorithms for the reconstruction of high-resolution 2D mass-maps and 3D mass-maps and demonstrate in both cases the effectiveness of the sparse prior. We also apply the same sparse methodologies to the reconstruction the primordial density fluctuation power spectrum from measurements of the Cosmic Microwave Background which constitutes another notoriously difficult inverse problem. We apply the resulting algorithm to reconstruct the primordial power spectrum using data from the Planck satellite. Finally, we investigate new methodologies for the analysis of cosmological surveys in spherical coordinates. We develop a new wavelet transform for the analysis of scalar fields on the 3D ball. We also conduct a comparison of methods for the 3D analysis of spectroscopic galaxy survey.

De nombreuses mesures cosmologiques et astrophysiques tendent à montrer que notre galaxie serait englobée par un halo de matière sombre non-baryonique. La détection directionnelle vise à mesurer la direction du recul nucléaire issu d'une interaction avec une particule de matière sombre. Cela permettrait de mettre en évidence la forte dépendance angulaire de la distribution de reculs due à la rotation du système solaire autour du centre galactique. Cette thèse aborde la détection directionnelle par une approche multi-thématique : phénoménologie, expérimentale et analyse de données. L'objectif des études phénoménologiques est de montrer l'apport d'un détecteur directionnel en terme de recherche de matière sombre. Grâce au développement de méthodes statistiques dédiées, on montre qu'un détecteur tel que celui proposé par la collaboration MIMAC, devrait permettre de découvrir la matière sombre avec une grande significance jusqu'à des sections efficaces 2 à 3 ordres de grandeur en dessous des limites actuelles. La mise en place d'une méthodologie d'analyse de données directionnelles constitue un second objectif de cette thèse car la reconstruction 3D des traces mesurées est un point clef de cette nouvelle stratégie de détection. On présente ainsi une nouvelle méthode d'analyse basée sur une approche par vraisemblance, permettant d'optimiser l'estimation des paramètres de chaque événement mesuré: position dans le détecteur et direction. Dans le cadre de la discrimination du bruit de fond électronique, on a mis en place une étude basée sur la topologie de la trace et utilisant une analyse par arbres de décision boostés qui nous permet d'obtenir des facteurs de rejet environ 20 fois supérieurs à ceux obtenus avec des analyses séquentielles. Du point de vue expérimental, on présente une méthode originale de la mesure de vitesse de dérive des électrons permettant d'obtenir des incertitudes de l'ordre du pourcent et de contraindre simultanément les coefficients de diffusion longitudinale. On termine enfin sur l'analyse des données obtenues auprès du champ de neutrons AMANDE permettant de valider la stratégie de détection du projet MIMAC. / A large number of cosmological and astrophysical measurements supports the fact that our galaxy should be immersed in a halo of non-baryonic dark matter. Directional detection aims at measuring the direction of recoiling nucleus following an elastic scattering with a Dark Matter particle. This should allow us to show the expected strong angular dependence of the recoil distribution due to the rotation of the Solar System around the galactic center. This thesis presents a comprehensive study of directional detection following three different aspects: phenomenology, experimental and data analysis. The goal of the phenomenological studies is to explore the interest of directional detection in terms of galactic dark matter search. With the use of dedicated statistical tools we show that a detector, as the one proposed by the MIMAC collaboration, should be able to discover dark matter with a high significance down to cross sections 2 to 3 orders of magnitude below current limits. Setting up a new strategy of data analysis is a second goal of this thesis as an efficient 3D track reconstruction is compulsory to achieve an accurate directional detection of dark matter. We present a new method based on a likelihood approach aiming at the optimisation of the estimation of the parameters of each measured track: position in the detector volume and direction. In the context of reducing the electronic background, we present a method based on the analysis of the track topology using a boosted decision tree algorithm which enhances the rejection power by a factor 20 with respect to a sequential analysis. In the context of experimental measurement, we present a new method dedicated to the measurement of the electron drift velocity with uncertainties of the order of the percent and constraining the longitudinal diffusion coefficients. Eventually, we discuss the results of a data analysis obtained during an acquisition using a neutron field which validate the detection strategy of the MIMAC experiment.

L'énergie sombre est l'un des grands mystères de la cosmologie moderne, responsable de l'actuelle accélération de l'expansion de notre Univers. Son étude est un des axes principaux de ma thèse : une des voies que j'exploite s'appuie sur la structuration de l'Univers à grande échelle à travers un effet observationnel appelé effet Sachs-Wolfe intégré (iSW). Cet effet est théoriquement détectable dans le fond diffus cosmologique (FDC) : avant de nous parvenir cette lumière traverse un grand nombre grandes structures sous-tendues par des potentiels gravitationnels. L'accélération de l'expansion étire et aplatit ces potentiels pendant le passage des photons du FDC, modifiant leur énergie d'une façon dépendante des caractéristiques de l'énergie sombre. L'effet iSW n'a qu'un effet ténu sur le FDC, obligeant l'utilisation de données externes pour le détecter. Une approche classique consiste à corréler le FDC avec un traceur de la distribution de la matière, et donc des potentiels sous-jacents. Maintes fois tentée avec des relevés de galaxies, cette corrélation n'a pas donné à l'heure actuelle de résultat définitif sur la détection de l'effet iSW, la faute à des relevés pas assez profonds et/ou avec une couverture trop faible. Un partie de ma thèse est dédiée à la corrélation du FDC avec un autre fond "diffus" : le fond diffus infrarouge (FDI), qui est constitué de l'émission intégrée des galaxies lointaines non-résolues. J'ai pu montrer qu'il représente un excellent traceur, exempt des défauts des relevés actuels. Les niveaux de signifiance attendus pour la corrélation CIB-CMB excèdent ceux des relevés actuels, et rivalisent avec ceux prédits pour la futur génération de très grands relevés. Dans la suite, ma thèse a porté sur l'empreinte individuelle sur le FDC des plus grandes structures par effet iSW. Mon travail sur le sujet a d'abord consisté à revisiter une étude précédente d'empilement de vignettes de FDC à la position de structures, avec mes propres protocole de mesure et tests statistiques pour vérifier la signifiance de ces résultats, délicate à évaluer et sujette à de possibles biais de sélection. J'ai poursuivi en appliquant cette même méthode de détection à d'autres catalogues de structures disponibles, beaucoup plus conséquents et supposément plus raffinés dans leur algorithme de détection. Les résultats pour un d'eux suggère la présence d'un signal à des échelles et amplitudes compatible avec la théorie, mais à des niveaux modérés de signifiance. Ces résultats empilements font s'interroger concernant le signal attendu : cela m'a amené à travailler sur une prédiction théorique de l'iSW engendré par des structures, par des simulations basées sur la métrique de Lemaître-Tolman-Bondi. Cela m'a permis de prédire l'effet iSW théorique exact de structures existantes : l'amplitude centrale des signaux mesurés est compatible avec la théorie, mais présente des caractéristiques non-reproductibles par ces mêmes prédictions. Une extension aux catalogues étendus permettra de vérifier la signifiance de leurs signaux et leur compatibilité avec la théorie. Un dernier pan de ma thèse porte sur une époque de l'histoire de l'Univers appelée réionisation : son passage d'un état neutre à ionisé par l'arrivée des premières étoiles et autres sources ionisantes. Cette période a une influence importante sur le FDC et ses propriétés statistiques, en particulier sur son spectre de puissance des fluctuations de polarisation. Dans mon cas, je me suis penché sur l'utilisation des mesures de températures du milieu intergalactique, afin d'étudier la contribution possible de la désintégration et annihilation de l'hypothétique matière sombre. A partir d'un travail théorique sur plusieurs modèles et leur comparaison aux observations de température, j'ai pu extraire des contraintes intéressantes et inédites sur les paramètres cruciaux de la matière sombre et des caractéristiques cruciales de la réionisation elle-même. / The dark energy is one of the great mysteries of modern cosmology, responsible for the current acceleration of the expansion of our Universe. Its study is a major focus of my thesis : the way I choose to do so is based on the large-scale structure of the Universe, through a probe called the integrated Sachs-Wolfe effect (iSW). This effect is theoretically detectable in the cosmic microwave background (CMB) : before reaching us this light travelled through large structures underlain by gravitational potentials. The acceleration of the expansion stretches and flattens these potentials during the crossing of photons, changing their energy, in a way that depend on the properties of the dark energy. The iSW effect only has a weak effect on the CMB requiring the use of external data to be detectable. A conventional approach is to correlate the CMB with a tracer of the distribution of matter, and therefore the underlying potentials. This has been attempted numerous times with galaxies surveys but the measured correlation has yet to give a definitive result on the detection of the iSW effect. This is mainly due to the shortcomings of current surveys that are not deep enough and/or have a too low sky coverage. A part of my thesis is devoted to the correlation of FDC with another diffuse background, namely the cosmological infrared background (CIB), which is composed of the integrated emission of the non-resolved distant galaxies. I was able to show that it is an excellent tracer, free from the shortcomings of current surveys. The levels of significance for the expected correlation CIB-CMB exceed those of current surveys, and compete with those predicted for the future generation of very large surveys. In the following, my thesis was focused on the individual imprint in the CMB of the largest structures by iSW effect. My work on the subject first involved revisiting a past study of stacking CMB patches at structures location, using my own protocol, completed and associated with a variety of statistical tests to check the significance of these results. This point proved to be particularly difficult to assess and subject to possible selection bias. I extended the use of this detection method to other available catalogues of structures, more consequent and supposedly more sophisticated in their detection algorithms. The results from one of them suggests the presence of a signal at scales and amplitude consistent with the theory, but with moderate significance. The stacking results raise questions regarding the expected signal : this led me to work on a theoretical prediction of the iSW effect produced by structures, through simulations based on the Lemaître-Tolman-Bondi metric. This allowed me to predict the exact theoretical iSW effect of existing structures. The central amplitude of the measured signals is consistent with the theory, but shows features non-reproducible by my predictions. An extension to the additional catalogues will verify the significance of their signals and their compatibility with the theory. Another part of my thesis focuses on a distant time in the history of the Universe, called reionisation : the transition from a neutral universe to a fully ionised one under the action of the first stars and other ionising sources. This period has a significant influence on the CMB and its statistical properties, in particular the power spectrum of its polarisation fluctuations. In my case, I focused on the use of temperature measurements of the intergalactic medium during the reionisation in order to investigate the possible contribution of the disintegration and annihilation of the hypothetical dark matter. Starting from a theoretical work based on several models of dark matter, I computed and compared predictions to actual measures of the IGM temperature, which allowed me to extract new and interesting constraints on the critical parameters of the dark matter and crucial features of the reionisation itself