Les Jupiters chauds sont des exoplanètes si proches de leur étoile que leur atmosphère peut perdre du gaz par échappement hydrodynamique. Les géantes gazeuses qui transitent sont un excellent moyen de comprendre ce processus, mais il faut étudier d'autres types de planètes pour déterminer son impact sur la population exoplanétaire. Cette thèse propose d'utiliser la spectroscopie du transit pour observer l'atmosphère de plusieurs planètes, étudier leurs propriétés et caractériser l'échappement hydrodynamique. Des raies de l'ultraviolet observées avec le télescope Hubble sont analysées avec le modèle numérique de la haute atmosphère que nous avons développé. Grâce à la raie Ly-? nous mettons en évidence les interactions énergétiques et dynamiques entre l'atmosphère des Jupiters chauds HD209458b et HD189733b et leurs étoiles. Nous étudions la dépendance de l'échappement à l'environnement d'une planète et à ses propriétés physiques, en observant une super-Terre et un Jupiter tiède dans le système 55Cnc. Grâce à des observations de HD209458b nous montrons que les raies du magnésium permettent de sonder la région de formation de l'échappement. Nous étudions le potentiel de la spectroscopie du transit dans le proche UV pour détecter de nouveaux cas d'échappement. Ce mécanisme est favorisé par la proximité d'une planète à son étoile, ce qui rend d'autant plus important la compréhension des processus de formation et de migration, qui peuvent être étudiés par l'alignement d'un système planétaire. Grâce à des mesures des spectrographes HARPS-N et SOPHIE nous étudions les alignements de 55Cnc e et du candidat Kepler KOI-12.01, dont nous cherchons aussi à valider la nature planétaire.

La gravitation est le principal moteur de formation et d'évolution des amas de galaxies. Cependant, de nombreux processus non-gravitationnels sont à l'oeuvre au sein de la composante baryonique des amas et affectent leurs propriétés globales. L'objet de cette thèse est l'étude statistique de deux de ces processus et de leur impact sur la formation et l'évolution des amas de galaxies. Nous nous sommes intéressés à l'effet de la présence de poussière dans le milieu intra-amas, ainsi qu'à l'origine de l'émission radio observée dans la direction des amas. Un refroidissement du gaz intra-amas dû à la poussière a tout d'abord été implémenté dans des simulations numériques de formation des structures. Nous avons ensuite quantifié l'impact de la poussière sur les propriétés d'échelle et structurelles des amas de galaxies générés dans ces simulations. Notre analyse a montré que la normalisation des relations d'échelle et la distribution de matière au centre des amas sont significativement modifiées par l'inclusion de poussière. Cette dernière peut donc affecter l'évolution des propriétés du milieu intra-amas. Nous avons aussi montré que le refroidissement est intimement lié aux propriétés physiques de la poussière, c'est-à-dire à son abondance et à la distribution en taille de ses grains. L'émission radio des amas de galaxies est quant à elle due aux sources ponctuelles (noyaux actifs de galaxies, galaxies à flambée d'étoile) et aux sources étendues et diffuses (halos, reliques). À partir du relevé radio NVSS et du méta-catalogue MCXC, nous avons statistiquement étudié les relations d'échelle entre les propriétés des galaxies actives en radio (fraction, luminosité radio, masse du trou noir supermassif des noyaux actifs) et celles des halos qui les hébergent (masse totale, luminosité X). Nous avons montré que les propriétés de ces deux populations sont corrélées. Finalement, en s'appuyant sur la caractérisation de l'émission des sources ponctuelles et sur les données NVSS, nous avons recherché la signature statistique d'une émission radio étendue et diffuse dans les amas. Cependant, cette investigation a rapidement été entravée par la contamination due aux sources radio ponctuelles non-résolues. Notre étude nous a également renvoyés à la question de la fraction d'amas hébergeant des sources radio étendues et diffuses, et donc à leur lien avec l'état dynamique des amas.

Les étoiles de type solaire se forment par l'effondrement d'un nuage moléculaire, durant lequel la matière s'organise autour de l'étoile en formation sous la forme d'un disque, appelé disque protoplanétaire. Dans ce disque se forment les planètes, comètes et autres objets du système stellaire. La nature de ces objets peut donc avoir un lien avec l'histoire de la matière du disque.J'ai étudié l'évolution chimique et physique de cette matière, du nuage au disque, à l'aide du code de chimie gaz-grain Nautilus.Une étude de sensibilité à divers paramètres du modèle (comme les abondances élémentaires et les paramètres de chimie de surface) a été réalisée. Notamment, la mise à jour des constantes de vitesse et des rapports de branchement des réactions de notre réseau chimique s'est avérée influente sur de nombreux points, comme les abondances de certaines espèces chimiques, et la sensibilité du modèle à ses autres paramètres.Plusieurs modèles physiques d'effondrement ont également été considérés. L'approche la plus complexe et la plus consistante a été d'interfacer notre code de chimie avec le code radiatif magnétohydrodynamique de formation stellaire RAMSES, pour modéliser en trois dimensions l'évolution physique et chimique de la formation d'un jeune disque. Notre étude a démontré que le disque garde une trace de l'histoire passée de la matière, et sa composition chimique est donc sensible aux conditions initiales.

La mesure du fond diffus cosmologique est depuis les années 1980 au centre des préoccupations majeures de la cosmologie observationnelle. Aujourd'hui, le défis est la détection des modes B de polarisation de ce rayonnement. Ceux-ci constituent une signature des ondes gravitationnelles primordiales. Afin de pouvoir atteindre cet objectif, nous avons besoin d'instruments offrant des performances exceptionnelles autant au niveau des composants que de l'architecture. Cette thèse s'intéresse de près à des composants planaires supra-conducteurs conçus pour être intégrés dans ces instruments : en particulier des filtres, des diplexeurs de polarisation et des modulateurs de phase. Ces composants pourront être utilisés dans l'interférométrie bolométrique, une architecture de détection particulièrement novatrice. L'expérience QUBIC dédié à l'observation des modes B est basé sur une telle architecture.

Le prochain défi de la cosmologie observationnelle est la mesure et la caractérisation précise des modes B, signatures des ondes gravitationnelles primordiales dans les anisotropies polarisées du Fond Diffus Cosmologique (FDC ou CMB pour Cosmic Microwave Background). La détection des ondes gravitationnelles provenant de l'inflation (une phase d'expansion exponentielle aux tous premiers instants après le Big Bang) serait une découverte majeure pour la cosmologie et pour la physique fondamentale. L'amplitude du mode B étant fixée par l'énergie caractéristique de l'inflation, cette mesure nous donnerait immédiatement l'échelle d'énergie associée à cette physique, peut-être liée à la grande unification des interactions. Le signal des modes B primordiaux est cependant au moins trois ordres de grandeur inférieur aux anisotropies en température. Atteindre la physique sous-jacente aux modes B via une caractérisation du spectre de puissance angulaire conduit à définir une expérience dédiée pour la mesure de la polarisation du CMB avec une sensibilité en polarisation limitée uniquement par les limites astrophysiques. Ceci nécessite une grande sensibilité de détection mais également une immunité accrue aux effets parasites instrumentaux susceptibles de masquer le signal cosmologique. Ces deux caractéristiques sont précisément au centre de deux programmes R&D qui sont DCMB (Développement Concerté de Matrices de Bolomètres) et BSD (B-mode Superconducting Detectors) auxquels mon équipe d'instrumentation millimétrique participe activement. <br />Dans le cadre de la collaboration nationale DCMB, nous avons pour objectif de développer de véritables matrices de bolomètres supraconducteurs incluant le système d'acquisition multiplexé dans un ensemble cryo-mécanique cohérent. L'immunité aux effets parasites instrumentaux pour les futurs instruments de mesure de la polarisation du CMB passe par le développement d'architectures de détection évoluée s'appuyant sur la technologie planaire supraconductrice Niobium et n'exigeant pas une parfaite similitude des détecteurs. La collaboration BSD que j'ai initiée en 2007 entre plusieurs laboratoires d'Ile de France développe actuellement les composants hyperfréquences de base pour la réalisation de telles architectures : antennes, déphaseurs, filtres, coupleurs de puissance. Ces composants permettront de réaliser un démonstrateur d'architecture de détection évoluée d'ici 2010. <br />Notre objectif est d'utiliser dans un premier temps ces développements pour des observations au sol en préparation aux projets spatiaux. Dans le cadre de la collaboration BRAIN-MBI entre l'Italie, le Royaume-Uni, les Etats-Unis et la France, nous développons actuellement un instrument d'un type nouveau basé sur l'interférométrie bolométrique pour la recherche des modes B de polarisation du CMB. Cet instrument combine ainsi les avantages de l'interférométrie pour la mesure des anisotropies du CMB avec la sensibilité des bolomètres. Nous prévoyons l'installation d'un premier module d'ici fin 2010 sur la station Concordia en Antarctique.

Mon travail s'inscrit dans un contexte de préparation aux futures expériences haute-sensibilité et haute-résolution sensibles à la polarisation du fond diffus cosmologique et à l'effet de lentilles gravitationnelles. Le premier chapître se veut une introduction à la polarisation du rayonnement de fond et aux expériences à venir dédiées à sa mesure. Ensuite, je présente l'expérience Planck et décris la chaîne de simulations rapides de signaux temporels que j'ai développé pour faciliter l'élaboration et le test des algorythmes d'analyse des données Planck. Les deux derniers chapitres sont consacrés à l'effet de lentille gravitationnelle sur le rayonnement de fond. Tout d'abord, j'évalue la capacité des futures expériences précédemment décrites à mesurer le spectre de puissance des Grandes Structures à partir d'une estimation de l'effet de lentille. J'en déduis leur sensibilité à une masse non-nulle des neutrinos -- suggérée par les expériences d'oscillation -- supprimant les petites échelles angulaires au sein du spectre angulaire de la matière. Enfin, je développe une méthode pour caractériser les effets délétères des avant-plans sur l'estimation de l'effet de lentille. Je valide cette méthode, mettant en oeuvre le meilleur estimateur linéaire de lentilles décrit dans la littérature, grâce à une simulation numérique de cartes du rayonnement de fond diffus affecté par les lentilles et de l'émission des sources radio extra-galactiques. Je trouve que la présence de sources amoindris la sensibilité des expériences au potentiel gravitationnel de la Matière Noire et entraîne la surestimation de son spectre de puissance angulaire.

Mon activité de recherche en astrophysique entre les années 1990 et 2005 et celle des étudiants et chercheurs que j'ai encadrés, ont été centrées principalement sur l'étude des trous noirs galactiques accrétants par le moyen d'observations astronomiques de leur émission de haute énergie (X et gamma). Ce travail a été réalisé dans le cadre de projets d'astronomie spatiale dans lesquels mon laboratoire était impliqué et notamment dans les deux projets clefs de l'astronomie gamma européenne des années 1990 et 2000, la mission franco-russe SIGMA/GRANAT et celle de l'Agence Spatiale Européenne INTEGRAL. Mon rôle dans ces missions a été de développer les systèmes d'analyse des données et je me suis spécialisé dans les techniques d'analyse pour les systèmes à ouvertures codées, systèmes employés dans les télescopes des ces missions. Après avoir illustré mes contributions originales dans ce domaine, je décris dans ce mémoire les programmes scientifiques que j'ai développés et les résultats que j'ai obtenus sur les deux thèmes d'astrophysique des trous noirs auxquels j'ai contribué en manière significative. <br />Tout d'abord, grâce aux données gamma récoltées avec SIGMA et INTEGRAL, j'ai pu réaliser un programme d'études sur les systèmes binaires serrées, où un trou noir de masse stellaire accréte de la matière de l'étoile compagnon donnant lieu à de l'émission X/gamma. Le <br />résultat majeur de ce travail a été la découverte d'une structure spectrale d'émission de haute énergie dans la nova X de la constellation de la Mouche. Je décris aussi plusieurs autres résultats obtenus grâce aux données gamma, couplés à des données X d'autres observatoires, sur 13 sources transitoires (novas X) et 3 sources persistantes à trou noir que j'ai pu étudier dans la gamme entre 1 et 1000 keV.<br />J'ai aussi développé un vaste programme scientifique concernant l'étude de l'émission de haute énergie du trou noir supermassif du centre de la Galaxie. Grâce au balayage profond effectué avec SIGMA j'ai d'abord établi des limites supérieures contraignantes à l'émission gamma de cet objet. Ce résultat a conduit au développement de nouveaux modèles décrivant les processus d'accrétion dans les trous noirs. Ensuite, j'ai découvert des sursauts X en provenance du trou noir <br />central avec des données de l'observatoire XMM-Newton et plus récemment une source INTEGRAL qui coïncide avec le centre de la Galaxie. Je discute ces résultats dans le cadre de la physique du centre galactique et des processus d'accrétion et éjection dans les trous noirs.<br />Je présente enfin mon programme de recherche pour les années à venir, qui voit en première ligne mon implication dans un projet d'astronomie spatiale des hautes énergies, SIMBOL-X. Ce projet prévoie, par le moyen de deux satellites en formation, d'étendre la technique de focalisation par incidence rasante aux rayons X durs afin d'étudier les phénomènes non thermiques de notre univers.

Cette thèse est consacrée à la recherche d'empreintes spécifiques relatives à la nature de l'Énergie Noire dans les processus d'effondrements gravitationnels linéaire et non-linéaire au travers de développements théoriques et numériques. Ainsi, plusieurs aspects de la cosmologie ont été abordés: tout d'abord, afin d'étudier l'influence de nombreuses formes complexes d'Énergie Noire sur la structuration, le développement de la théorie des perturbations dans un formalisme covariant a permis d'étendre les équations classiques de Sasaki-Mukhanov aux cas de champs scalaires couplés et en présence de multiples fluides cosmologiques. Ces travaux permettent de décrire l'évolution des perturbations linéaires de modèles d'Énergie Noire complexes en minimisant le nombre de degrés de liberté. Ces dernières années ont vu le nombre et la qualité des observations augmenter de manière vertigineuse, tant sur la distribution de la matière dans l'Univers que sur le champ de déplacement de celle-ci. En particulier, ces observations ont permis de mettre en évidence un champ de vitesse local anormalement élevé par rapport à la prédiction du modèle standard $\Lambda$CDM. L'explication de cet excès des champs de vitesse à des échelles intermédiaires constitue l'apport principal de ces travaux de recherche: en réinterprétant les mesures anormales de champs de vitesse de Watkins et al. sur des distances intermédiaires (50 Mpc/h) en termes d'événement rare dans le cadre de la théorie linéaire, nous avons proposé une nouvelle sonde cosmologique consistant à mesurer l'échelle à laquelle le flot moyen rejoint en amplitude ce que l'on attend en théorie linéaire. Nous montrons la sensibilité de cette nouvelle sonde cosmologique dans trois modèles d'Énergie Noire concurrentiels. Ces résultats, développés par des méthodes analytiques, sont comparés à des mesures effectuées sur des simulations numériques hautes performances auxquelles nous avons pris une part importante. Dans un second temps, à partir de ces simulations numériques, nous montrons que l'origine dynamique d'un tel mouvement d'ensemble local résulte d'une asymétrie de la distribution de matière à plus grande échelle (80 Mpc/h). Cette asymétrie est mise en évidence grâce à l'introduction d'un estimateur original du champ de matière quantifiant l'écart à la symétrie d'un champ. Finalement, nous démontrons que l'arrangement spatial des environnements présentant un champ de vitesse anormal dans l'Univers est corrélé avec la distribution des pics de densité. Cette corrélation nous indique de manière locale la distribution de structures responsables du mouvement d'ensemble anormalement élevé. Une caractérisation différente de l'Énergie Noire fait appel au champ de densité dans l'Univers. En particulier, nous caractérisons ce champ de densité en terme de fonctions de corrélation et étudierons les effets des champs de vitesse sur ceux-ci au travers des distorsions dans l'espace des redshifts. Nous présentons donc plusieurs résultats prometteurs à partir des fonctions de corrélation issues des simulations Dark Energy Universe Simulation (DEUSS) pour trois modèles concurrentiels d'Énergie Noire, en distinguant espace comobile et espace des redshift d'une part et corrélation suivant la masse des halos d'autre part. Deux aspects seront particulièrement abordées dans ce travail. Tout d'abord, nous soulignons l'impact de ces mesures sur le biais en cosmologie: ils permettront donc de déduire de nombreux résultats sur la dépendance de ce dernier sur le modèle cosmologique et le redshift. Dans un second temps, ces mesures permettent de montrer que l'empreinte de l'Énergie Noire sur le régime non-linéaire de formation des structures dans l'Univers, déjà mise en évidence sur les champs continus de matière, demeure lorsque l'on mesure la fonction de corrélation à partir des traceurs du champs, à savoir les halos de matière noire. Finalement, cette thèse a vu la réalisation des simulations DEUS: Full Universe Runs, première modélisation de tout l'Univers observable, du Big Bang jusqu'à aujourd'hui. Cette série de modélisations ayant demandé de nombreuses optimisations des codes cosmologiques existants, a permis de mettre en évidence quelques résultats marquants, faisant appel à la statistique inégalée de cette nouvelle série de simulations. Les méthodes numériques permettant le suivi dynamique de l'effondrement gravitationnel et la détection de structures ainsi que les efforts d'optimisations menés durant cette thèse sont présentés dans une partie numérique en fin de thèse.

La description de l'inflation cosmologique dans le cadre de la physique des hautes énergies motive la construction de scénarios faisant intervenir plusieurs champs scalaires ou/et des actions de type non-standard. Ces scénarios génèrent des fluctuations primordiales dont les déviations à la gaussianité peuvent maintenant être sondées avec une précision intéressante et nous étudions dans cette thèse les signatures observationnelles correspondantes. Nous exposons tout d'abord la théorie relativiste des perturbations cosmologiques ainsi que le mécanisme de genèse de celles-ci pendant l'inflation. Nous dressons ensuite un panorama des différents types de modèles générant d'importantes non-gaussianités primordiales ainsi que des méthodes permettant la détermination de ces-dernières. Nous présentons à cet égard plusieurs applications d'un formalisme dit covariant. Nous traitons ensuite d'un scénario inflationnaire inspiré par la théorie des cordes appelé l'inflation Dirac-Born-Infeld, et notamment de ses aspects multichamps. Nous décrivons enfin les moyens mis en oeuvre pour détecter les effets des non-gaussianités primordiales sur les observables cosmologiques.

L'étude de l'Univers primordial adresse quelques-unes des questions les plus fondamentales de la physique théorique. Cette thèse a pour objet l'exploration de trois aspects principaux de la cosmologie primordiale. Dans un premier temps, nous discutons d'une alternative au paradigme scientique qu'est le modèle du Big Bang. A savoir, nous explorons un modèle d'univers à rebond qui évite la singularité initiale du Big Bang. Nous commencerons dans l'introduction par revoir les éléments de base nécessaires à la compréhension de la cosmologie. A la suite de quoi, nous montrerons un modèle spécifique d'Univers à rebond contenant des champs additionnels particuliers en complément des champs présents habituellement. Ces nouveaux champs proviennent de ce qui s'appelle le modèle "Lee-Wick" de la physique des particules. En particulier, nous prouvons qu'un univers à rebond dans ce contexte est instable lorsque l'on ajoute une composante de radiation en plus de la matière. Dans la seconde partie, nous considérons la production de particules via un phénomène de résonance paramétrique durant la phase de "préchauffement", a la fin de l'inflation cosmologique. Plus précisément, nous prouvons que dans le cas où l'inflation a une limite de vitesse, les termes cinétiques non-canoniques décrivant n'importe quel Lagrangien effectif n'améliorent pas la production de particules. Finalement, le dernier sujet aborde concerne les défauts topologiques pendant la transition de phase de la chromodynamique quantique. A savoir, nous étudions les cordes cosmiques provenant des champs de pions présents dans le modèle standard de la physique des particules et trouvons un méchanisme pour les stabiliser. Nous prouvons alors qu'un bain thermique de photons en contact avec ces cordes réduit la variété du vide à un cercle. Cela a pour effet d'autoriser la présence de "cordes pioniques" topologiquement stables.