La Matière Sombre représente une des quêtes les plus importantes pour la compréhension des constituants élémentaires de l'Univers: la nature de la Matière Sombre est toujours mystérieuse. La dernière décennie a connu des développements expérimentaux remarquables dans la recherche de la Matière Sombre. Le but de ce travail est l'étude de candidats de Matière Sombre de nature supersymétrique (le neutralino) et au-delà (les particules scalaires), et de leurs aspects phénoménologiques et d'astroparticules. Le neutralino, dans l'intervalle de masses 1-100 GeV, est testé par les expériences du Grand Collisionneur d'Hadrons, de détection directe et de détection indirecte; ce travail montre que la combinaison de ces techniques est un outil décisif pour une recherche minutieuse des prédictions théoriques. Les particules scalaires sont des candidats non-standards de masses jusqu'à 1 MeV qui pourraient être produits abondamment dans le Grand Collisionneur d'Hadrons, et au même temps expliquer d'autres phénomènes tels que la masse des neutrinos et/ou le signal à 511 keV provenant du centre galactique de la Voie Lactée. / The Dark Matter problem is one of the most relevant quests for the understanding of the elementary constituents of the Universe: the nature of the Dark Matter is still unveiled. Experimental efforts aiming to detect the Dark Matter have shown a great progress in the last decade. This work is devoted to the phenomenological and astroparticle studies of Dark Matter candidates of supersymmetric nature -the neutralino- and beyond -scalar particles. The former, in the 1-100 GeV mass range, is currently being tested by the Large Hadron Collider, direct detection and indirect detection experiments; this work shows that the interplay between techniques is a decisive tool to thoroughly search for theoretical predictions. The latter is a non-standard candidate as light as 1 MeV which could be copiously produced at the Large Hadron Collider, and at the same time explain other phenomena such as neutrino masses and/or the 511 keV line from the galactic center of the Milky Way.

La relativité générale est la théorie rendant compte de la gravitation via une déformation de l'espace-temps. Son application à l'Univers permet, dans le modèle Lambda-CDM, de bien rentre compte des observations cosmologiques. Cependant, à l'échelle de Planck, la théorie ne fonctionne plus et s'avère incohérente. Pour résoudre ce problème, il est sans doute essentiel de tenir compte des effets quantiques. Depuis près d'un siècle, concilier relativité générale et mécanique quantique est considéré comme une priorité de la physique théorique. La tâche s'avère néanmoins extraordinairement difficile et cette thèse est consacrée à l'une des pistes les plus sérieuses : la gravitation quantique à boucles. Pour aller de l'avant dans cette démarche nécessaire mais complexe, des confrontation avec des données expérimentales seraient essentielles. Nous nous sommes ainsi intéressés aux perturbations cosmologiques générées dans ce cadre. Nous avons étudié en détails les conséquences phénoménologiques des corrections de cosmologie quantique à boucles aux modes tensoriels dans un modèle d'univers en rebond. Une analyse de Fisher a été développée pour comparer ces prédictions aux éventuelles futures observations. Pour les autres modes, nous nous sommes placés dans un formalisme spécifique incluant le calcul de contre-termes permettant de prévenir l'apparition d'anomalies dans la structure de l'algèbre des contraintes. Ce formalisme a été appliqué aux cas des perturbations vectorielles puis scalaires. Les équations du mouvement invariantes de jauges permettant de calculer les spectres ont alors été dérivées. / General relativity describes gravity as a deformation of space-time. Applied to the Universe as a whole, it explains well cosmological observations in the lambda-CDM paradigm. However, at the Planck scale, the theory is not anymore self-consistent. It is most probably necessary to include quantum effects. For a century, this has been considered as one of the main challenges for theoretical physics. This is however an extremely difficult aim to reach and this thesis is devoted to one of the main proposal: Loop Quantum Gravity. To go ahead in the construction of any quantum theory of gravity, it would be most useful to compare predictions with observations. To this aim, we have studied cosmological perturbations in this framework. We have investigated into the details the phenomenological consequences of loop quantum cosmology corrections in a bouncing universe. A Fisher analysis was carried out to compare the predictions with future data. For the other modes, we have used a specific formalism to include counterterms that prevent anomalies from appearing in the algebra of constraints. This formalism was applied to vector and scalar perturbations. The gauge-invariant equations of motion leading to the calculation of measurable spectra were derived.

Les vitesses particulières de galaxies fournissent des informations importantes sur notre mouvement par rapport aux grandes structures observées et peuvent être utilisées afin de contraindre la distribution de matière noire sous-jacente. En ce basant sur cette approche, la technique des réalisations contraintes permet de calculer des simulations numériques qui ressemblent à l'Univers Local observé. Ceci fourni un laboratoire numérique puissant pour étudier la dynamique, la formation et l' évolution des structures bien connues de l'Univers Local. L' étape cruciale est de générer, à partir des données observationnelles, des conditions initiales appropriées. Nous présentons ici des améliorations de la technique des simulations contraintes, accompagnées d'un code numérique nouvellement développé et hautement optimisé, qui peut ingérer les énormes ensemble de données observationnelles. Les galaxies évoluent à partir du collapse gravitationnel des surdensités primordiales de l'univers très jeune; leurs mouvements créent un champ de déplacement à grande échelle. Une source majeure d'erreurs systématiques dans les simulations contraintes est produite si l'on ne tient pas compte de cet effet. Afin de dépasser cette limitation, nous avons développé la méthode de reconstruction par approximation inverse de Zeldovich (RZA). La RZA permet de reconstruire les déplacements et les positions initiales des galaxies observées et de générer une estimation significativement meilleure des conditions initiales de l'Univers Local. Cette méthode est intensivement testée sur des données de simulations. Nous étudions aussi l'influence de la qualité des données et de diverses erreurs observationnelles et/ou systématiques. Nous démontrons qu'avec la technique RZA, la qualité de la reconstruction des champs de densité et de vitesse est drastiquement améliorée. La position des objets dans les simulations contraintes évoluées sont retrouvées plus précisément et sur un plus grand intervalle de masses / Galaxy peculiar velocities provide valuable information about our motion with respect to theobserved large-scale structure and can be used to constrain the underlying dark matter distribution.Based on this approach, the technique of constrained realisations allows us to run numericalsimulations that resemble the observed Local Universe. This provides a powerful numerical laboratoryto study the dynamics, formation and evolution of structure in the Local Universe. Thecrucial step is to generate appropriate initial conditions from the observational data.We present here improvements on the technique of constrained simulations, along with anewly developed highly optimised numerical code that can handle the upcoming large observationaldatasets. Galaxies evolve from the gravitational collapse of primordial overdensities in theearly Universe; their motion leads to a large-scale displacement field. A major source of systematicerrors in constrained simulations arises by not accounting for this effect. To overcome thislimitation, we develop the Reverse Zeldovich Approximation (RZA) reconstruction method. TheRZA allows to reconstruct displacements and initial positions of observed galaxies and generatea significantly better estimate of the initial conditions of the Local Universe. This method isextensively tested on simulation data. We also study the influence of data quality and variousobservational and systematic errors. We show that with the RZA technique, the reconstructionquality of the density and velocity fields improves significantly. The positions of objects in theevolved constrained simulations are recovered more accurately and over a wider range of masses. / Die Pekuliargeschwindigkeiten von Galaxien liefern wertvolle Informationen über ihre Bewegungrelativ zu den beobachteten großräumigen Strukturen und können verwendet werden, um diezugrundeliegende Verteilung der dunklen Materie abzuschätzen. Auf dieser Grundlage könnenmit der Methode der “Constrained Realisations” numerische Simulationen durchgeführt werden,die die Materieverteilung im Lokalen Universum widerspiegeln und somit leistungsfähige numerischeExperimente ermoeglichen, um die Dynamik, Entstehung und Evolution von Strukturenim lokalen Universum zu untersuchen. Eine wichtige Voraussetzung für diese Experimente ist es,korrekte Anfangsbedingungen aus den Beobachtungsdaten abzuleiten.In dieser Arbeit werden Verbesserungen der “Constrained Simulations”-Technik sowie ein fürdiesen Zweck neu entwickelter, hochgradig optimierter numerischer Code vorgestellt, welcheres ermöglicht, die kommenden, sehr umfangreichen Beobachtungsdaten zu verarbeiten. Galaxienentwickeln sich aus dem Gravitationskollaps von primordialen Überdichten im frühen Universum.Deren Bewegung führt zu einer großräumigen Dislokation, deren Vernachlässigung die größtesystematische Fehlerquelle für “Constrained Simulations” darstellt. An dieser Stelle knüpft dieReverse-Zeldovich-Näherung (RZA) an, die hier vorgestellt wird. Mithilfe der RZA können wirdiese Dislokation abschätzen und somit die ursprünglichen Positionen der beobachteten Galaxienrekonstruieren. Dadurch erhält man wesentlich genauere Anfangsbedingungen fuer die Entwicklungdes Lokalen Universums. Diese Methode wird ausführlich an Simulationsdaten getestet.Der Einfluß der Datenqualität und verschiedener Beobachtungs- und systematischer Fehler wirdeingehend untersucht. Die Rekonstruktionsgenauigkeit der Dichte- und Geschwindigkeitsfelderkann durch den Einsatz der RZA signifikant erhöht werden. In unseren Tests stimmen die Positionenvon Objekten in den mit RZA erzeugten “Constrained Simulations” wesentlich besser mitden ursprünglichen überein, als ohne die RZA, und das für einen deutlich größeren Bereich vonMassen

Les oscillations acoustiques de baryons (BAO) constituent une règle standard permettant de contraindre les différents modèles cosmologiques. Cette thèse rend compte de la première mesure des BAO dans la fonction de corrélation de la fraction de flux transmise des forêts Lyman-α des quasars à grands décalages spectraux. Cette détection utilise 89322 spectres de quasars mesurés par le Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) de la troisième génération du Sloan Digital Sky Survey (SDSS-III). Les quasars considérés possèdent des décalages spectraux compris dans l'intervalle 2,1 < z < 3,5. Un pic dans la fonction de corrélation est détecté à 1,043+0,021−0,020 fois la position attendu du pic BAO pour le modèle de concordance ΛCDM. Cette mesure permet de contraindre la distance angulaire DA ainsi que le paramètre de Hubble H à un décalage spectral moyen z = 2,38. Par ailleurs cette thèse présente une nouvelle méthode de sélection des quasars par variabilité. Cette méthode est appliquée à la région du Stripe 82 où un grand nombre de données photométriques multi- époque est disponible. Sur cette région, elle permet d'atteindre une densité d'environ 30 deg−2 quasars contre 18 deg−2 pour les sélections usuelles par couleur.

Ce travail de thèse se focalise sur l'usage de grands sondages pour extraire de l'information sur la cosmologie. Une photométrie de précision joue un rôle clé dans cette quête à travers la détermination de redshifts photométriques ainsi que la propagation des erreurs dans les résultats cosmologiques ; thème unissant les deux parties de cette thèse. Après une revue de la cosmologie et des mesures favorisant le modèle ΛCDM, ainsi qu'une description du Large Synoptic Survey Telescope (LSST), la première partie de ce travail se porte sur l'étude de la variation des principaux constituants de l'atmosphère sur la photométrie au sol, au niveau du site du LSST à Cerro Pachón, au Chili. Nous utilisons des données récentes sur l'ozone, la vapeur d'eau et les aérosols pour en construire une simulation de longue durée et estimer quantitativement l'influence des gradients spatiaux et temporels de ces constituants sur la procédure de la calibration du LSST. La deuxième partie de ce travail débute par une description théorique de l'effet de lentille gravitationnelle, avec un accent sur le lentillage faible. Après une comparaison des avantages et inconvénients inhérents aux mesures de cisaillement cosmique, nous explorons l'utilisation de l'amplification cosmique conjointement à la séparation tomographique en redshift permise par le LSST afin de contraindre les modèles. Nous trouvons que l'amplification cosmique, bien qu'affectée par le clustering intrinsèque, représente une sonde prometteuse du biais des galaxies et de l'énergie noire, complémentaire au cisaillement cosmique, et qui augmente la robustesse des contraintes cosmologiques provenant des mêmes relevés.

Je donne ici un résumé de mes activités de recherche en cosmologie physique, couvrant principalement les thèmes de l'énergie sombre révélée par les grandes structures cosmiques, l'origine des champs magnétiques aux très grandes échelles, et les possibilités de sonder l'histoire de la réionisation par les corrélations croisées du fond diffus cosmologique et de la raie à 21cm de l'hydrogène décalée vers le rouge.

La quête des modes B de polarisation du fond diffus cosmologique est aujourd'hui un des enjeux scientifiques majeurs de la cosmologie observationnelle. Observer les modes B constituerait une sonde directe de la période d'inflation. La détection de ce signal, attendu à un niveau très faible, représente un défi technologique. Il nécessite non seulement une sensibilité importante, mais aussi une soustraction des signaux d'avant-plans et un très bon contrôle des effets systématiques. Dans ce but, un important travail expérimental est en cours. L'instrument QUBIC est une des expériences dédiées à la détection des modes B. Il est basé sur une technologie novatrice : l'interférométrie bolométrique, qui permet de réunir les avantages d'un imageur en terme de sensibilité et ceux d'un interféromètre en terme de contrôle des effets systématiques. Dans ce manuscrit, nous expliquerons le concept de l'instrument et nous décrirons ses composantes. Nous nous concentrerons sur le combineur optique de l'instrument dont nous expliciterons le rôle et nous présenterons une méthode développée afin d'étudier l'impact des aberrations optiques et des désalignements des composantes du combineur sur la sensibilité globale de l'instrument. Nous introduirons une procédure de calibration spécifique à l'interférométrie bolométrique basée sur la redondance des lignes de base : la self-calibration. Cette méthode permet de calibrer les paramètres qui caractérisent complètement l'instrument simultanément et pour chaque canal cornet-bolomètre-pointage. Finalement, nous présenterons les dernières avancées des simulations sur la fabrication des cartes avec l'instrument QUBIC et sur l'estimation des spectres de puissance.

Le travail de ma thèse s'est concentré sur l'extraction du signal laissé par les BAO dans la distribution des galaxies. Celui se présente sous forme d'un pic autour de 150 Mpc dans la fonction de corrélation à deux point de la matière. Cette échelle correspond à la distance parcourue par l'onde acoustique dans le fuide matière-radiation entre la période d'égalité matière-radiation et leur découplage à z ∼ 1100. Il en résulte une sur-densité à cette échelle autour de chaque perturbation primordiale. Le but de mon travail était d'efectuer une analyse complète sur les données prises par la collaboration SDSS III/BOSS jusqu'à l'été 2011 afin d'apporter des contraintes sur les paramètres caractérisant l'énergie noire, w0 et wa . On veut savoir si ces observations sont consistantes avec la fameuse constante cosmologique (w0 = 1 et wa = 0) ou si l'équation d'état de l'énergie noire évolue avec le temps (wa ̸= 0) impliquant alors des scénarios bien plus complexes pour cette composante. Pour y arriver, j'ai étudié et testé les outils d'analyse avec des simulations log-normal ainsi qu'avec les données publiques du DR7 de SDSS. J'ai étudié les effets de distorsion des redshifts dans le régime linéaire avec des simulations et j'ai développé une méthode d'optimisation d'estimateur de fonction de corrélation. Dans un second temps j'ai réalisé l'analyse complète des données BOSS-CMASS, qui utilise les galaxies elliptiques très lumineuses (LRGs), depuis la construction du catalogue jusqu'à l'obtention des contraintes cosmologique en passant par la correction des effets systématiques.

Les supernovae de type Ia (SNe Ia) sont de puissants indicateurs de distance cosmologique. Elles sont à l'origine de la découverte de l'énergie noire dans l'univers et restent aujourd'hui la meilleure méthode pour contraindre son équation d'état. Cependant, nous ignorons toujours le phénomène exact donnant naissance à ces supernovae. Notamment, nous ne connaissons pas l'influence de l'évolution des paramètres stellaires avec le redshift sur la luminosité de ces objets et donc sur les ajustements cosmologiques. De récentes études ont mis en évidence évidence des biais environnementaux ayant un impact significatif sur les mesures des paramètres cosmologiques. Cependant, ces études analysent les hôtes des SNe Ia dans leur globalité en négligeant les variations pourtant connues des propriétés stellaires et gazeuses au sein de ces galaxies. ! Dans cette thèse je montre comment les données de spectrographie à champ intégral de la collaboration The Nearby Supernova Factory permettent l'étude de l'environnement immédiat (~kpc) de la SNe Ia. Dans une première partie, j'introduis les bases physiques et le contexte scientifique dans lesquels ma thèse s'inscrit. Dans la seconde partie, je commence par détailler les techniques d'extraction des données environnementales locales et, une fois ces données extraites, je développe la mesure du taux de formation stellaire environnant les SNe Ia à partir du signal Hα. Dans mon analyse, je montre comment les propriétés des SNe Ia, et notamment leur luminosité standardisée, dépendent de la présence de formation stellaire à proximité. Ce biais, duquel découlent les biais environnementaux précédemment évoqués, a un impact significatif sur la cosmologie. En se basant sur les évolutions des propriétés stellaires des galaxies, je construit un modèle d'évolution de la luminosité moyenne des SNe Ia en fonction du redshift pour estimer cet impact; les données de la littérature semblent confirmer mes hypothèses. Ces résultats ont été publiés dans le journal européen Astronomy & Astrophysics (Rigault et al. 2013). Dans une troisième partie, je présente des analyses supplémentaires sur l'environnement local des SNe Ia et je suggère de nouvelles approches. ! Cette thèse a mis en évidence un biais environnemental important sur les propriétés des SNe Ia que seule l'analyse locale permet d'aborder. Cette découverte est une étape importante dans la compréhension de ces objets et dans l'amélioration de leur utilisation cosmologique.

Cette habilitation a' diriger des recherches de ́crit les travaux de recherche que j'ai effectue ́s depuis ma soute- nance de the'se qui en 1999. Elle s'articule autour de deux parties correspondants aux deux the'mes scientifiques sur lesquels j'ai travaille ́ ces dernie'res anne ́es : les rayons cosmiques d'ultra-haute e ́nergie et l'e ́tude du fond diffus cosmologique. C'est au sein de la collaboration Pierre Auger que j'ai travaille ́ sur la the ́matique des rayons cosmiques ultra- e ́nerge ́tiques entre fin 2002 et fin 2006. Il s'agit la' du plus grand de ́tecteur jamais construit par l'homme destine ́ a' eclaircir un myste're vieux de plus d'un sie'cle : quelle est la nature, ou' sont produits, et comment se propagent lesrayonscosmiquesquel'onobservea'dese ́nergiesdequelques1019eV?enexiste-t-ilau-dela'delafameuse coupure GZK qui, du fait le la perte d'e ́nergie des rayons cosmiques aux plus hautes e ́nergies par inte ́raction avec le fond diffus cosmologique limite l'horizon a' quelques centaines de Mpc a' ces e ́nergies? Je de ́cris dans cette habilitation mes travaux d'analyse de donne ́es concernant d'une part la recherche d'e ́ventuelles aniso- tropies dans la distribution sur le ciel des rayons cosmiques (des anisotrpies aux petites e ́chelles permettant d'identifier les sources, et aux plus grandes e ́chelles pouvant signer divers sce ́narios, par exemple top-down si l'on observe un exce's en provenance du centre Galactique) et d'autre part sur sur la recherche de photons aux plus hautes e ́nergies, une des signatures les plus claires d'une origine top-down pour les rayons cosmques les plus e ́nerge ́tiques. Les re ́sultats ne ́gatifs de cette recherche de photons, ajoute ́s a' l'observation claire de la cou- pure GZK ont permis a' l'Observatoire Pierre Auger de trancher en faveur d'une origine bottom-up, c'est a' dire issue d'acce ́le ́rateurs cosmiques, pour les rayons cosmiques les plus e ́nerge ́tiques. Par ailleurs, aucune aniso- tropien'estpourl'heureobserve ́eauxplusgrandese ́chellesalorsquelesrayonscosmqieslespluse ́nerge ́tiques montrent une autocorre ́lation significative aux petites e ́chelles, en corre ́lation avec un catalogues d'AGN (dont la distribution spatiale est elle-meˆme corre ́le ́e au reste de la matie're, cela' ne signe donc pas les AGN comme sites d'acce ́le ́ration). J'ai commence ́ a' aborder la the ́matique des anisotropies du fond diffus cosmologique au cours de mon post- doctorat et de ma premie're anne ́e au CNRS au sein de l'e ́xperience Archeops, un projet ballon d'observation de latempe ́ratureetdelapolarisationdecerayonnementsavecuneinstrumentationsimilairea'celledePlanck-HFI. J'ai travaille ́ a' l'e ́laboration des cartes du ciel et a' l'extraction du spectre angulaire de puissance des fluctuations de tempe ́rature, permettant l'observation pre ́cise, avant WMAP, du premier pic acoustique, et la de ́termination des parame'tres cosmologiques. J'ai rejoint a' nouveau cette the ́matique fin-2006 au sein de la collaboration QU- BIC dont l'objectif est de ́tecter les modes-B de polarisation du fond diffus cosmologique. Ces derniers sont la signature d'ondes gravitationnelles primordiales, c'est a' dire de modes tenseurs engendre ́s par l'inflation. Leur de ́tection et la mesure de leur spectre est conside ́re ́e comme le Graal de la cosmologie contemporaine tant ont apprendrait sur les processus a' l'oeuvre dans l'Univers primordial : mesure de l'e ́chelle en e ́nergie de l'inflation, de ́termination de la forme du potentiel de l'inflaton, tests de cohe ́rence interne du mode'le inflationnaire. Ces modes-b de polarisation sont d'une amplitude si faible (en dessous du micro-Kelvin) qu'une nouvelle ge ́ne ́rtion d'intrumentsestrequisepourlesobserver:largesmatricesdebolome'tres(limite ́sparlebruitdephotons),design instrumental minimisant l'impact des effets syste ́matiques qui pourraient devenir dominants pour des de ́tecteurs aussi sensibles. Le projet QUBIC est base ́ sur le concept d'interfe ́rome ́trie bolome ́trique, combinant les avan- tages des bolome'tres en terme de sensibilite ́ et ceux des interfe ́rome'tres en terme de faible contamination par les effets syste ́matiques. Depuis pre's de trois ans, je travaille au de ́veloppement du concept instrumental d'un interfe ́rome'tre bolome ́trique : reconstruction des visibilite ́s de manie're optimale graˆce a' des modulateurs de phases, calcul de la sensibilite ́s et comparaison avec un imageur et un interfe ́rome'tre classique (montrant que nous avons en effet un interfe ́rome'tre plus sensible graˆce aux de ́tecteurs bolome ́triques) et enfin de ́termination du design optimal de l'instrument QUBIC afin d'atteindre notre objectif scientifique d'eˆtre en mesure d'exclure un rapport entre les modes tenseurs et scalaires de 0.01 a' 95% de niveau de confiance en un an. L'instrument ne ́cessaire est typiquement un ensemble de 6 modules d'interfe ́rome'tres comprenant chacun 144 cornets, une feneˆtre de 40 cm de diame'tre et un plan focal comprenant 900 bolome'tres avec une largeur de bande de 25%.