Les planètes se forment très probablement dans les disques de gaz et de poussière détectés autour des étoiles jeunes en cours de formation. L'étude de ces disques circumstellaires est donc indispensable pour comprendre la formation des planètes et l'origine de notre système solaire. Au vu des distances des régions de formation stellaires les plus proches, observer la partie des disques situées entre 0.1 et 10 UA correspond à des échelles spatiales de l'ordre de la milli-arcseconde. L'interférométrie infrarouge est un outil adapté pour atteindre de telles échelles spatiales et, par conséquent, pour étudier l'environnement proche des étoiles jeunes. Cependant, un interféromètre ne produit pas une image directe de l'objet observé. Les données obtenues jusqu'à présent sont peu nombreuses et utilisées uniquement pour contraindre des modèles théoriques. Avec l'arrivée de nouveaux instruments, les données interférométriques peuvent être utilisées pour reconstruire des images indépendamment de modèles paramétriques, comme il est habituellement fait dans le domaine radio. Le présent travail vise à appliquer la méthode de reconstruction d'images à des données interférométriques en infrarouge proche d'objets jeunes. Dans un premier temps, une étude systématique de la méthode de reconstruction d'images est réalisée sur l'algorithme MiRA et des règles pratiques pour les utilisateurs en sont extraits. Il est également démontré qu'il vaut mieux augmenter la couverture du plan (u; v), et ce de manière la plus homogène possible, plutôt que de diminuer les barres d'erreur sur les données. Dans un deuxième temps, la méthode est appliquée à une Herbig Ae, MWC275, donnant lieu à la première image de l'environnement proche d'une étoile jeune complexe. Suite à la pauvreté de la couverture (u; v), une image évidente à interpréter n'est pas réalisable malgré l'utilisation de paramètres adéquats. Une méthodologie impliquant l'utilisation d'un modèle de l'objet est donc indispensable afin de ne pas sur-interpréter les structures dans l'image reconstruite. Finalement, la technique est appliquée à d'autres objets jeunes. Ces nouvelles applications renforcent l'intérêt d'utiliser la reconstruction d'images comme technique d'analyse mais confirment également la prudence à avoir lors de l'analyse des images reconstruites.

Résumé Les premiers d´etecteurs aptes `a faire de l'imagerie dans le domaine de l'infrarouge thermique (5-25 µm) depuis le sol sont apparus dans les ann´ees 90. Comme nous connaissons relativement mal les ob jets astrophysiques `a ces longueurs d'onde, il y a avait l`a un tr`es fort potentiel de nouvelles d´ecouvertes sur les ob jets “ti`edes” (100-500 K) ou faiblement enfouis. Ce manuscrit d´ecrit mes travaux de recherche durant les dix derni`eres ann´ees dans les domaines de l'instrumentation infrarouge thermique sur grand t´elescopes au sol et les applications astrophysiques centr´ees essentiellement sur de domaine de l'observation de disques circumstellaires autour d'´etoiles de pr´e-s´equence principale de type Herbig Ae. En particulier, l'imagerie infrarouge `a haute r´esolution angu- laire de ces disques (0.25-1.0 arcsec) m'a permis d'en ´etudier la g´eom´etrie `a relativement grande ´echelle (30-500 UA). La diversit´e de g´eometries rencontr´ee montre que ces disques ont chacun leurs particularit´es et que l'on commence aujourd'hui `a ˆetre capables de mettre en ´evidence leurs processus ´evolutifs. En outre, certaines structures observ´ees, comme des anneaux brillants d'´emission, pourraient ˆetre en lien ´etroit avec le processus de formation plan´etaire. Le dernier chapitre est consacr´e `a l'´etude des perspectives scientifiques concernant l'observation en in- frarouge moyen depuis le sol en lien avec le domaine de la plan´etologie. Je montre qu'un instrument infrarouge moyen install´e sur un Extremely Large Telescope aura la capacit´e de d´etecter et de caract´eriser les plan`etes g´eantes extra-solaires les plus proches (d< ∼20 pc). En outre, un tel instrument pr´esentera des capacit´es uniques pour ´etudier la formation plan´etaire dans les disques protoplan´etaires.

Les observations des étoiles de type T Tauri ont mis en évidence le très grand nombre de systèmes binaires parmi cette classe d'objets stellaires jeunes. Cette constatation, associée à celle de l'influence de la déformation des disques circumstellaires sur les distributions spectrales d'énergie des T Tauri, nous a conduit à étudier les effets de marée dans les sytèmes binaires d'étoiles jeunes. Dans un premier temps, nous avons donc calculé la perturbation engendrée par des effets de marée dans un disque circumstellaire, auto-gravitant ou d'accrétion. De façon à obtenir un développement analytique, nous avons dans cette étude supposé la perturbation faible. Pour évaluer l'incidence de cette déformation sur la distribution spectrale d'énergie, nous avons ensuite calculé l'énergie émise dans une direction donnée par le système constitué du disque déformé et de l'étoile située en son centre. Cette étude a quant à elle été menée dans le cas d'une déformation d'amplitude quelconque, et rien n'a été négligé du point de vue géométrique, c'est-à-dire qu'ont été prises en considération l'ombre portée par le disque sur l'étoile et celle portée par l'étoile sur le disque. Puis nous avons appliqué ces deux études aux systèmes binaires d'étoiles jeunes de type T Tauri. Nous avons ainsi montré que dans le cas de faibles perturbations, c'est-àdire de systèmes binaires dans lesquels la séparation entre les deux composantes est supérieure ou de l'ordre de la centaine d'unités astronomiques, les effets de marée dans le disque circumstellaire ont une incidence tout à fait significative sur le domaine submillimétrique de la distribution spectrale d'énergie. Pour évaluer l'influence de ces effets dans les systèmes binaires plus serrés, nous avons ensuite décrit la déformation de manière paramétrique. Les distributions spectrales d'énergie obtenues alors nous conduisent à proposer une nouvelle interprétation des observations d'objets stellaires jeunes de classe I, et nous permettent également de reproduire des distributions spectrales d'énergie d'étoiles de type T Tauri ayant un fort excès dans l'infra-rouge. Enfin, nous abordons de façon préliminaire le problème de l'influence de la déformation sur le taux d'accrétion dans le disque.

Cette thèse se découpe en deux volets complémentaires, orientés sur la formation planétaire dans les disques autour d'étoiles jeunes. Dans une première partie je présente les résultats obtenus avec des données spectroscopiques du satellite Spitzer. Ces spectres (5-35 µm) montrent un grand nombre de raies en émission, attribuées à des poussière silicatées, amorphes ou cristallines. Sur un large échantillon, j'ai mené deux analyses statistiques complémentaires sur la minéralogie des grains de poussière. Je montre tout d'abord que les silicates cristallins sont très présents dans les disques proto-planétaires, et je mets en évidence un paradoxe de cristallinité sur la distribution radiale de ces cristallins, avec moins de cristaux dans les régions internes (lieu de leur formation préférentiel) que dans les régions externes. Des processus d'amorphisation peuvent être responsables de cet écart. Par la suite, j'ai montré qu'un applatissement des distributions en taille de grain a lieu dans les disques (ce qui était souvent interprété comme un grossissement de grains). Cela peut s'expliquer soit par un changement d'équilibre entre les processus de fragmentation et de coagulation, soit par une évacuation des petits grains par la pression de radiation ou les vents stellaires. Dans une seconde partie, je présente les résultats d'observations pionières, par la méthode d'interférométrie dans le proche infrarouge, avec l'instrument AMBER, pour deux étoiles TTauri. Ces observations ont permis de confirmer deux modèles existants dans la litérature : i) la présence d'un sillon dans un disque en transition, avec un disque interne proche de l'étoile, ii) l'importance de la lumière diffusée dans l'interprétation de données interférométriques. Ces travaux permettent de mieux connaître les régions de formation planétaire.

L'environnement proche des étoiles jeunes de faible masse recèle une multitude de phénomènes physiques liés à la formation des étoiles. Ce mémoire de thèse présente un ensemble de travaux théoriques, expérimentaux et observationnels relatifs à ces phénomènes. Après une description des propriétés attribuées aux étoiles de type T Tauri, FU Orionis et Ae/Be de Herbig et plus particulièrement de leurs disques d'accrétion, j'aborde l'étude de la structure verticale de ces disques, issue du transfert de rayonnement et de l'équilibre hydrostatique. La dissipation d'énergie provient du frottement visqueux des particules du disque s'accrétant sur l'étoile, ainsi que de l'absorption du rayonnement stellaire. Il est montré que le rayonnement rasant de l'étoile sur le disque crée une << chromosphère >> . J'étudie par la suite la possibilité de détecter directement le milieu circumstellaire (disque, binarité, planètes, jets,...) grâce aux techniques à haute-résolution angulaire (optique adaptative et interférométrie). Je présente ensuite un prototype de coronographe à haute résolution spatiale que j'ai conçu, modélisé, construit et testé en vue de telles observations. Je décris finalement les observations de l'environnement du système stellaire jeune Z Canis Majoris que j'ai réalisées à la limite de la diffraction dans le proche infrarouge au télescope de 3.60 mètres de l'ESO. Elles montrent que cet objet est composé d'une binaire et d'une structure étendue en forme de disque, perpendiculaire au jet connu et éclairée non pas par la source centrale mais par le compagnon infrarouge.

L'étude des systèmes planétaires extrasolaires a considérablement fleuri durant les vingt dernières années, stimulée par la découverte de poussières circumstellaires et de planètes extrasolaires autour d'étoiles de la séquence principale. Cependant, l'imagerie directe de ces systèmes planétaires n'a été jusqu'à présent possible que dans certains cas particuliers à cause de l'important contraste et de la faible distance angulaire entre les étoiles et leur environnement. Même dans ces cas favorables, les régions internes où les planètes rocheuses sont censées se former et où la vie pourrait se développer n'ont pu être étudiées jusqu'ici de par l'absence d'outils appropriés. L'interférométrie infrarouge est une technique très prometteuse dans ce contexte, car elle fournit la résolution angulaire nécessaire pour séparer le rayonnement des étoiles et de leur voisinage immédiat.<br />Le présent travail vise à développer les capacités d'imagerie à haute dynamique des techniques interférométriques pour la caractérisation des systèmes planétaires. Dans un premier temps, nous démontrons que les facilités interférométriques actuelles ont le potentiel de détecter la présence de poussières dans les premières unités astronomiques des disques de débris massifs autour d'étoiles proches. Nos observations de Véga avec le recombinateur infrarouge proche FLUOR installé sur l'interféromètre CHARA révèlent la présence de poussières chaudes responsables d'une émission représentant seulement 1/78ème du rayonnement stellaire en bande K. Dans le but d'étendre l'imagerie des systèmes planétaires à des disques plus ténus et aux planètes extrasolaires, nous étudions ensuite les performances au sol de futurs interféromètres en mode destructif en tenant compte de façon réaliste des effets de l'atmosphère. Nos simulations montrent qu'un instrument installé à l'interféromètre du Very Large Telescope de l'ESO et fonctionnant en mode destructif pourrait détecter des structures circumstellaires aussi faibles que quelques 10^-4 fois le flux stellaire. Finalement, la troisième partie de ce travail se concentre sur l'implémentation de l'interférométrie en mode destructif sur des futures missions spatiales, dans le but de caractériser des planètes extrasolaires aussi petites que la Terre.

Les vingt-cinq dernières années ont connu une véritable révolution dans notre connaissance des systèmes planétaires avec plus de 1800 planètes extrasolaires connues à ce jour. L'étude observationnelle des disques de débris constitue l'approche proposée dans ce travail de thèse pour éclairer les processus de formation et d'évolution des systèmes planétaires. Ces disques circumstellaires sont constitués de particules de poussière générées par des collisions de petits corps appelés planétésimaux, en orbite autour d'une étoile de la séquence principale. La lumière stellaire qu'elles diffusent représente une observable particulièrement riche en informations sur l'architecture du système, mais difficile d'accès en raison du contraste élevé et de la faible séparation angulaire avec leur étoile. Le développement récent de nouveaux instruments à haut contraste équipés d'optique adaptative extrême représente un formidable potentiel pour l'étude de ces systèmes. Cette thèse se place dans le cadre de ces nouveaux développements et porte sur la caractérisation des disques de débris grâce à deux instruments qui équipent le VLT (Very Large Telescope) : NaCo et SPHERE (Spectro Polarimetric High contrast Exoplanet REsearch). NaCo est en opération depuis plus de 10 ans et a connu plusieurs améliorations successives. SPHERE a été conçu et développé dans la même période, testé intensivement en laboratoire en 2013 et est actuellement en cours de vérification opérationnelle sur le télescope. Le caractère novateur de ce travail consiste à associer à l'étude des propriétés physiques des disques de débris, une expertise instrumentale poussée pour tirer le meilleur profit des observations. La première partie vise à développer et caractériser des méthodes de réduction de données innovantes adaptées aux observations de disques en lumière diffusée et au comportement de l'instrument. En particulier les atouts, performances et biais des techniques d'imagerie différentielle angulaire, polarimétrique et de soustraction de référence sont quantifiés. Ces méthodes sont appliquées, dans une seconde partie, à l'étude et la caractérisation de deux prototypes de disques de débris entourant les étoiles beta Pictoris et HR 4796A. Elles permettent une analyse poussée de la morphologie de ces disques et révèlent de nouvelles asymétries, interprétées en terme de perturbateurs gravitationnels ou de propriétés de diffusion de la lumière par la poussière. Enfin une évaluation prospective des performances attendues et observées avec l'instrument SPHERE est détaillée dans la dernière section, basée sur des simulations et des mesures en laboratoire ou sur le ciel. Une comparaison avec NaCo révèle les points forts de SPHERE avant de conclure sur les questions scientifiques auxquelles les observations de disques de débris avec SPHERE pourront apporter des réponses. / Over the last two and a half decades, the discovery of more than 1800 exoplanets has been a major breakthrough in our understanding of planetary systems. To shed light on the formation and evolution processes of such systems, I have chosen an observational approach based on the study of debris discs. These circumstellar discs are composed of dust particles constantly generated by collisions of small rocky bodies called planetesimals, orbiting a main-sequence star. The stellar light they scatter can be studied from the Earth and reveal a wealth of information on the architecture of the system. These observations are challenging because of the high contrast and the small angular separation between the disc and the star. The recent developments of new high-contrast instruments with extreme adaptive optic systems are therefore bringing new expectations for the study of these systems and set the framework of this PhD thesis. My work aims at characterising debris discs thanks to two instruments installed on the Very Large Telescope: NaCo and SPHERE (Spectro Polarimetric High contrast Exoplanet REsearch). NaCo has been in operation for more than a decade and has undergone many improvements. SPHERE has been designed and assembled in the same period, was intensively tested in laboratory in 2013, and is currently being commissioned on the telescope. The innovative approach of this PhD work is to combine the study of debris discs with strong instrumental expertise to get the best science results from the observations. The first part of the study aims at developing innovative data reduction techniques adapted to the observations of discs in scattered light and to the behaviour of the instrument. I quantify in particular the performances, advantages, and biases of the angular, polarimetric and reference-star differential imaging technique. In a next step, I apply those techniques to characterise two prototypes of debris discs, around the stars beta Pictoris and HR 4796A. A detailed analysis of the morphology is carried out, which reveals new asymmetries interpreted in terms of gravitational perturbers or of dust scattering properties. Lastly, I detail the expected and measured performances of SPHERE, from simulations, laboratory and on-sky measurements. A comparison with NaCo reveals the assets of SPHERE and I conclude with the scientific questions SPHERE will be able to answer with new debris disc observations.

Cette thèse s'inscrit dans la thématique de l'étude de la formation et de l'évolution des systèmes planétaire grâce à la méthode de l'imagerie à haut contraste, aussi appelée imagerie directe, par comparaison aux méthodes de détection dites "indirectes". Le travail que je présente dans ce manuscrit s'articule en deux parties bien distinctes. La première partie concerne la composante observationnel de ma thèse, à l'aide de l'instrument SPHERE installé au Very Large Telescope, au sein du consortium du même nom. L'instrument SPHERE a pour objectif la détection et la caractérisation de jeunes et massives exoplanètes mais également de disques circumstellaires allant des très jeune disques protoplanétaires aux disques de débris, plus âgés. Ainsi, je présente dans ce manuscrit ma contribution au programme SHINE, un grand relevé de 200 nuits dont le but est la détection de nouvelles exoplanètes ainsi que la caractérisation spectrale et orbitale des quelques compagnons déjà connus. J'y présente également les deux études de disques circumstellaires que j'ai réalisées, autour des étoiles HD 141569 et HIP 86598. La première étude ayant permis la découverte d'anneaux concentriques à quelques dizaine d'UA de l'étoile ainsi que de asymétrie dans le flux du disque inhabituelle. La seconde étude porte sur la découverte d'un disque de débris présentant également une asymétrie en flux inhabituelle. La deuxième partie concerne la composante instrumentale de mon travail de thèse, au sein du consortium MICADO, en charge de la conception de la caméra du même nom qui sera l'un des instruments de première lumière de l'Extremely Large Telescope Européen (ELT). Dans ce manuscrit, je présente l'étude que j'ai menée afin de définir le design de certain composant du mode coronographique de MICADO tout en tenant compte des contraintes de l'instrument qui n'est pas dédié à l'imagerie haut contraste, contrairement à SPHERE. / This thesis is performed in the context of the study of the formation and evolution of planetary systems using high contrast imaging, also known as direct imaging in contrast to so-called "indirect" detection methods. The work I present in this manuscript is divided into two distinct parts.The first part concerns the observational component of my thesis, using the SPHERE instrument installed at Very LargeTelescope. This work was done as part of the consortium of the same name. The purpose of the SPHERE instrument is to detect and characterize young and massive exoplanets, but also circumstellar disks ranging from very young protoplanetary disks to older debris disks. In this manuscript, I present my contribution to the program SHINE, a large survey with an integration time of 200 nights' worth of observation, the goal of which is the detection of new exoplanets and the spectral and orbital characterization of some previously-known companions. I also present the two studies of circumstellar disks that I made, around the stars HD 141569 and HIP 86598. The first study allowed the discovery of concentric rings at about ten AU of the star along with an unusual flux asymmetry in the disk. The second study is about the discovery of a debris disk that also has an unusual flux asymmetry. The second part concerns the instrumental component of my thesis work done within the MICADO consortium, in charge of the design of the camera of the same name which will be one of the first light instruments of the European Extremely Large Telescope (ELT). In this manuscript, I present the study in which I define the design of some components of the coronagraphic mode of MICADO while taking into account the constraints of the instrument - which is not dedicated to high contrast imaging, unlike SPHERE.

The existence of other habitable worlds and the possible development of life elsewhere in the Universe have been among mankinds fundamental questions for thousands of years. These interrogations about our origins and place in the Universe are today at the dawn of being answered in scientific terms. The key year was 1995 with the discovery of the first extrasolar planet orbiting around a solar-type star. About 400 extrasolar planets are known today and the possibility to identify habitable worlds and even life among them largely contributes to the growing interest about their nature and properties. However, characterizing planetary systems is a very difficult task due to both the huge contrast and the small angular separation between the host stars and their environment. New techniques have emerged during the past decades with the purpose of tackling these fantastic observational challenges. In that context, infrared interferometry is a very promising technique, since it provides the required angular resolution to separate the emission of the star from that of its environment. This dissertation is devoted to the characterization of extrasolar planetary systems using the high angular resolution and dynamic range capabilities of infrared interferometric techniques. The first part of the present work is devoted to the detection with current interferometric facilities of warm dust within the first few astronomical units of massive debris discs around nearby stars. In order to extend the imaging of planetary systems to fainter discs and to extrasolar planets, we investigate in a second step the performance of future space-based nulling interferometers and make a comparison with ground-based projects. Finally, the third part of this work is dedicated to the impact of exozodiacal discs on the performance of future life-searching space missions, the goal being to characterize extrasolar planets with sizes down to that of the Earth.

No description available.