L'étude des propriétés résolues des galaxies lointaines peut apporter des connaissances fondamentales sur les processus qui gouvernent l'évolution des galaxies tout au long de la vie de l'Univers. Par exemple, ces études peuvent nous aider à mieux comprendre si une galaxie a fusionné avec une autre dans le passé, à tester de nouvelles hypothèses concernant la distribution de matière (noire et visible) dans les galaxies et aussi à étudier la densité et composition chimique du gaz. Pendant longtemps, ces études étaient coûteuses et assez peu efficaces (d'un point de vue observationel), vu qu'elles obligeaient à faire plusieurs observations discontinues du même objet. Mais dans les trois dernières décennies, grâce aux développements instrumentaux qu'on permis la construction d'une nouvelle classe de spectrographes -- les Spectrographes de champ Intégral -- il est finalement devenu relativement simple d'avoir une vraie vision tridimensionnelle des galaxies et de mesurer les variations spatiales de propriétés comme la cinématique, le taux de formation stellaire et la métallicité. Néanmoins, ces études résolues restent encore difficiles à faire pour des galaxies lointaines, que sont la plupart du temps très petites sur le ciel et très faibles. Une méthode qui peut aider à mener ces études est d'observer objets derrière des amas de galaxies. Les amas, à cause de leur masse très élevé, forment des lentilles gravitationnelles qui augmentent la brillance des objets derrière eux, fonctionnant comme un 'télescope cosmique'. L'effet peut aussi 'étendre' les objects dans le ciel, ce que permet d'analyser des échelles spatiales plus petites qu'en observant des galaxies non lentillées. Au cours de ma thèse, j'ai analysé les propriétés résolues de huit de ces objects très magnifiés par des amas de galaxies. Dans la première partie de ce manuscrit, je présente un ensemble de 7 arcs gravitationnels: des galaxies extrêmement étendues et magnifiées mais qui restent représentatives des galaxies typiques de ce temps cosmique, il y a 6 - 9 Gyr. Tout ces galaxies sont des disques en rotation avec des masses entre109 et 1011 M⊙ et taux de formation stellaires de 3 - 50 ⊙/yr. À partir de la émission [OII], les champs de vitesse et de dispersion de vitesse de ces 7 objets ont été mesurés, ce que nous a permis de conclure que toute ces galaxies sont dominées par rotation. En prenant en compte les effets de distorsion de lentille gravitationnelles, les meilleurs paramètres pour trois modèles différents -- le modèle arc tangente, sphère isotherme et disque exponentiel -- on été dérivés pour chaque galaxie. Je conclus que le modèle de sphère isotherme, qui suppose que la masse de la galaxie est dominée par la distribution de la matière noire, décrit marginalement mieux le champ de vitesse de 3 de ces 7 galaxies que les deux autres modèles. Dans la deuxième partie du manuscrit, une jeune galaxie à z=3.5, avec une masse de M* = 6 x 109 M⊙, est étudiée. Avec des données MUSE, les propriétés résolues de la raie Lyα et aussi, pour la première fois, de les raies de CIII] on été dérivées. Le rapport signal sur bruit du spectre obtenu par la combinaison de différentes images multiples révèle des raies d'émission et d'absorption UV qui sont rarement vues dans des galaxies aussi lointaines. Ces raies ont permis d'estimer les propriétés physiques du gaz de cette galaxie (Te~15600 K, ne~300 cm-3, fraction de couverture f~0.4). L'émission Lyα s'étend à plus de 10 kpc autour de l'émission du continu et révèle un profil spectral très uniforme, avec de petites variations non liées à la cinématique de la galaxie mesurée avec les raies d'emission non résonantes. La raie spectrale et le profil de brillance de surface Lyα observés ont été modélisés avec un modèle de transfert radiatif dans un milieu sphérique de gaz en expansion. Je conclus qu'un modèle simple de ce type peut décrire simultanément correctement ces deux observables / Spatially resolved studies of high redshift galaxies can provide essential insight into the inner processes that shape galaxies thought cosmic time. Amongst others, they can allow us to better constrain the merger history of a galaxy, to test hypotheses on the distribution of the underlying mass, to study the density and dust distribution in the neutral gas of early galaxies, or to study the chemical evolution within a disc galaxy. Only in recent decades, thanks to the advent and developments of Integral Field Spectrographs (IFS), it became possible to have this truly 2D vision of galaxies and to 'map' properties such as kinematics, star formation rates and metallicity. Nevertheless, high redshift galaxies that are dimmer due to their distance, are still hard to analyse. A method that allows to overcome this issue is to target objects in the background of strongly lensing clusters. These clusters act as a cosmic telescopes, boosting the total flux of these objects and 'extending' them on the sky, allowing us to study them in a manner would otherwise be only possible with the new generation of telescopes. In my thesis, I present the analysis of 8 of such strongly lensed objects. The first part of the manuscript focuses on a sample of 7 gravitational arcs: extremely extended and magnified but otherwise normal galaxies. These galaxies are magnified by 7 different clusters and have redshifts that range from 0.6 to 1.5 (between 6 to 9 Gyrs ago). These are all rotating discs with masses ranging from 109 to 1011 M⊙ and star formation rates between 3 to 50 M⊙ / yr. While 3 of these galaxies -- AS1063, A370 and MACS0416 -- are star formation main-sequence galaxies, lying less than 0.05 dex away from the Fundamental Metallicity Plane, the remaining four deviate up to 0.4 dex. The global metallicities, measured from several emission lines ratios, are super solar (8.81 to 9.08 [12 + log(O/H)]) and on two objects we measure a metallicity gradient of -0.03 [12+log(O/H)/ kpc] and -0.01 [12+log(O/H)/ kpc]. We measure the ionised gas 2D velocity field and velocity dispersion via strong emission lines (mainly [OII]) finding that all of these galaxies are rotation dominated with V/$\sigma$ ratios between 2 and 9. Accounting for lensing effects, we fit these observed velocity fields using three kinematic models: the arctangent model, the isothermal sphere and exponential disc. We conclude that the isothermal sphere model is marginally a better fit to 4 of the 7 galaxies in our sample, the exponential disc to 2 and 1 by the arctangent model. The second part of the manuscript focuses on a typical (L*, M* = 6 x 109 M⊙) young lensed galaxy at z=3.5, observed with MUSE, for which we obtain 2D resolved spatial information of Lyα and, for the first time, of CIII] emission. The exceptional signal-to-noise of the data reveals UV emission and absorption lines rarely seen at these redshifts, allowing us to derive important physical properties (Te~15600 K, ne~300 cm-3, covering fraction f~0.4) using multiple diagnostics. Inferred stellar and gas-phase metallicities point towards a low metallicity object. The Lyα emission extends over ~10 kpc across the galaxy and presents a very uniform spectral profile, showing only a small velocity shift which is unrelated to the intrinsic kinematics of the nebular emission. The Lyα extension is ~4 times larger than the continuum emission, and makes this object comparable to low-mass LAEs at low redshift, and more compact than the Lyman-break galaxies and Lyα emitters usually studied at high redshift. We model theLyα line and surface brightness profile using a radiative transfer code in an expanding gas shell, finding that this model provides a good description of both observables

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.

Cette thèse présente une étude de certains effets systématiques instrumentaux et astrophysiques, pouvant affecter les performances des nouvelles et futures générations d'observations de la polarisation du fond diffus cosmologique (CMB). Nous étudions l'impact de ces effets sur les objectifs scientifiques de ces observations, ainsi que les techniques pour leur élimination. Ce travail se concentre sur les problèmes généraux que rencontrent les expériences de manière générale, mais se penche également sur les questions plus spécifiques soulevées dans le cadre de l'expérience d'observation des modes-B du CMB, POLARBEAR. L'objectif principal de l'effort actuel pour l'étude de la polarisation du CMB est une détection des anisotropies primordiales appelées modes-B --- une signature des théories inflationnaires non détectée à ce jour. Cela aurait un grand impact sur notre compréhension de l'univers, mais aussi des lois fondamentales de la physique. Comprendre, modéliser, et, finalement, éliminer ces effets systématiques sont des éléments indispensables pour tout pipeline d'analyse moderne du CMB. Sa réussite, de concert avec une haute sensibilité instrumentale, décidera du succès final des efforts entrepris. Dans cette thèse je décris tout d'abord l'optique des expériences typiques d'observation du CMB et propose un paramétrage des polarisations instrumentale et croisée. Deuxièmement, je présente un modèle décrivant la contamination atmosphérique et utilise celui-ci afin de donner quelques aperçus sur le rôle et l'impact de l'atmosphère sur les performances des expériences au sol. J'indique également comment ces résultats peuvent être utilisés pour améliorer le contrôle des effets atmosphériques dans l'analyse des données CMB. Ensuite, je discute d'une autre source d'effets systématiques venant du ciel --- les avants-plans astrophysiques polarisés. Dans ce contexte, je présente d'une part une nouvelle approche pour prédire les performances des futures expériences prenant en compte la présence des avant-plans, et d'autre part je propose un cadre pour l'optimisation des expériences afin qu'elles puissent atteindre de meilleures performances. Cette partie de la thèse est issue d'un travail commun avec F. Stivoli et R. Stompor. Je présente enfin une expèrience phare pour l'observation de la polarisation du CMB, POLARBEAR, dans laquelle j'ai été impliqué au cours de mes études doctorales. Je décris le statut actuel et les performances de l'instrument ainsi que quelques étapes de son pipeline d'analyse des données. En particulier, je montre des méthodes d'estimation de certains des paramètres introduits pour la modélisation d'effets systématiques, à partir de données simulées. Ce travail a été réalisé en collaboration avec les membres de l'équipe POLARBEAR.

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%.

La formation des étoiles est au coeur du cycle d'évolution des galaxies. A partir de leur réservoir de gaz (et de son remplissage éventuel par accrétion ou fusion), des étoiles se forment à un taux appelé par définition le taux de formation Stellaire (soit SFR pour Star Formation Rate en anglais), avec un impact énorme sur de nombreux aspects de l'évolution des galaxies. Cette HDR présente tout d'abord le formalisme de la formation stellaire (SFR, IMF), quelques suggestions théoriques concernant les phénomènes affectant le SFR sur diverses échelles spatiales dans les galaxies, les méthodes de détermination empirique du SFR à partir d'observables. Une partie importante est dédiée aux "lois" de formation stellaire (e.g. loi de Schmidt) sur diverses échelles (loi locale, loi radiale, loi globale). Finalement, la dernière partie concerne les plus grandes échelles (évolution du SFR "cosmique" et effet d'environnement.