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%.

Depuis sa découverte en 1964, l’étude du Fond Diffus Cosmologique dans le domaine des longueurs d’ondes millimétriques est devenue un enjeu majeur de la recherche expérimentale dans le domaine de la cosmologie. En particulier, ses anisotropies en température, mesurées pour la première fois par le satellite COBE puis plus finement par l’expérience WMAP et le satellite PLANCK. L’existence prédite d’anisotropies de polarisation du Fond Diffus Cosmologique est fait actuellement parti du champ d’expérimentation privilégié de l’étude du CMB. En effet, la preuve d’existence des modes B de polarisation, signature unique des ondes gravitationnelles primordiales, fait actuellement l’objet d’une recherche expérimentale intensive par le biais notamment de l’instrument BICEP2 qui aurait détecté sa signature en 2014 dans des valeurs du rapport tenseur sur scalaire r = 0,2. Le projet QUBIC fait parti de ces expériences destinées à révéler les modes B de polarisation grâce à son instrument basé sur la technique des interféromètres et sur le développement de matrice de bolomètres, demandant un champ d’investigation poussé englobant, entre autre, la physique des solides, la physique des basses températures et la cosmologie. La thèse présentée ici se situe dans ce cadre, avec pour objectif l’élaboration d’une matrice de bolomètres dont la performance et l’optimisation devrait permettre d’acquérir la sensibilité nécessaire à l’observation des modes B de polarisation. Les différentes techniques expérimentales acquises au CSNSM d’Orsay permettent en effet d’envisager l’optimisation des éléments clé de la matrice de bolomètre en s’appuyant notamment sur l’alliage amorphe de NbxSi1-x pour l’élaboration d’un senseur thermique optimisé, et sur un matériau novateur, l’alliage de titane-vanadium, pour la mise au point d’un absorbeur de rayonnement supraconducteur efficace, dont la faible chaleur spécifique doit permettre d’atteindre un temps de réponse du détecteur de l’ordre de la dizaine de milliseconde, valeur du temps de réponse nécessaire à une lecture efficace du signal du Fond Diffus Cosmologique. Le manuscrit de thèse ici présent a pour ambition de développer les principes physiques nécessaires au champ d’investigation du travail à accomplir. Ainsi, cette étude propose d’élaborer les différents éléments d’un bolomètre, réunissant un senseur thermique optimisé ainsi qu’un absorbeur de rayonnement de faible chaleur spécifique, permettant d’envisager la mise au point d’une matrice de bolomètres optimisée dans le cadre du projet QUBIC dont la campagne d’observation est prévue courant 2015 au dôme C du pôle Sud. / Since its discovery in 1964, the study of the Cosmic Microwave Background (CMB) in the field as of millimetre-length wavelengths became a major stake of experimental research in the field of cosmology. In particular, its anisotropies in temperature, measured for the first time by satellite COBE then more finely by the experiment WMAP and the PLANCK satellite. The predicted existence of anisotropies of polarization of the Cosmic Microwave Background is currently been part of the privileged field of experimentation of the study of the CMB. Indeed, the proof of exists modes B of polarization, single signature of the paramount gravitational waves, currently is the object of an intensive experimental research by the means in particular of the instrument BICEP2 which would have detected its signature in 2014 in values of the tensor report on scalar R = 0.2. Project QUBIC makes party of these experiments intended to reveal the modes B of polarization thanks to its instrument based on the technique of the interferometers and the development of bolometers array, asking for a thorough field of investigation including, amongst other things, the solid state physics, the physics of the low temperatures and cosmology. The thesis presented here is within this framework, with for objective making of a bolometers array whose performance and optimization should make it possible to acquire the necessary sensitivity to the observation of the B-mode polarization. The various experimental techniques acquired with the CSNSM of Orsay indeed make it possible to consider the optimization of the key elements of the bolometers array while being pressed in particular on amorphous alloy of NbxSi1-x for making of an optimized thermal sensor, and on an innovative material, titanium-vanadium alloy, for the clarification of an effective superconducting absorber of radiation, whose low specific heat must make it possible to reach a response time of the detector about ten millisecond, value of the response time necessary to an effective reading of the signal of the Cosmic Microwave Background. The manuscript of thesis here present has as an ambition to develop the physical principles necessary to the field of investigation of work to be achieved. Thus, this study proposes to work out the various elements of a bolometer, joining together a thermal sensor optimized as well as an absorber of radiation of low specific heat, making it possible to consider the clarification of a bolometers array optimized within the framework of the project QUBIC whose observation campaign is envisaged during 2015 with the dome C of the south pole.

Cette thèse présente un travail sur la détermination des paramètres cosmologiques, décrivant le contenu énergétique de l'Univers et sa courbure, à partir des données actuelles de supernovæ (UNION), du fond diffus cosmologique (WMAP) et des oscillations acoustiques de baryons (SDSS). L'observation de supernovæ de type Ia a mis en 'évidence l'accélération de l'expansion de l'Univers souvent expliquée par une énergie noire, de nature inconnue. Dans ce cadre, nous avons d'abord réalisé une analyse combinée de ces trois sondes qui montre que les données sont compatibles avec le modèle ¤CDM. A l'aide de simulations, nous avons étudiée en détail les diverses hypothèse souvent utilisées pour extraire les paramétres cosmologiques. En particulier, la dégénérescence géométrique implique souvent de supposer la platitude. Nous avons 'étudiée en détail le biais induit par cette hypothèse. Nous avons conclu qu'un univers courbe d'énergie noire dynamique peut être interprété comme un univers plat avec une constante cosmologique.

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.

Depuis sa découverte en 1964, l'étude du Fond Diffus Cosmologique dans le domaine des longueurs d'ondes millimétriques est devenue un enjeu majeur de la recherche expérimentale dans le domaine de la cosmologie. En particulier, ses anisotropies en température, mesurées pour la première fois par le satellite COBE puis plus finement par l'expérience WMAP et le satellite PLANCK. L'existence prédite d'anisotropies de polarisation du Fond Diffus Cosmologique est fait actuellement parti du champ d'expérimentation privilégié de l'étude du CMB. En effet, la preuve d'existence des modes B de polarisation, signature unique des ondes gravitationnelles primordiales, fait actuellement l'objet d'une recherche expérimentale intensive par le biais notamment de l'instrument BICEP2 qui aurait détecté sa signature en 2014 dans des valeurs du rapport tenseur sur scalaire r = 0,2. Le projet QUBIC fait parti de ces expériences destinées à révéler les modes B de polarisation grâce à son instrument basé sur la technique des interféromètres et sur le développement de matrice de bolomètres, demandant un champ d'investigation poussé englobant, entre autre, la physique des solides, la physique des basses températures et la cosmologie. La thèse présentée ici se situe dans ce cadre, avec pour objectif l'élaboration d'une matrice de bolomètres dont la performance et l'optimisation devrait permettre d'acquérir la sensibilité nécessaire à l'observation des modes B de polarisation. Les différentes techniques expérimentales acquises au CSNSM d'Orsay permettent en effet d'envisager l'optimisation des éléments clé de la matrice de bolomètre en s'appuyant notamment sur l'alliage amorphe de NbxSi1-x pour l'élaboration d'un senseur thermique optimisé, et sur un matériau novateur, l'alliage de titane-vanadium, pour la mise au point d'un absorbeur de rayonnement supraconducteur efficace, dont la faible chaleur spécifique doit permettre d'atteindre un temps de réponse du détecteur de l'ordre de la dizaine de milliseconde, valeur du temps de réponse nécessaire à une lecture efficace du signal du Fond Diffus Cosmologique. Le manuscrit de thèse ici présent a pour ambition de développer les principes physiques nécessaires au champ d'investigation du travail à accomplir. Ainsi, cette étude propose d'élaborer les différents éléments d'un bolomètre, réunissant un senseur thermique optimisé ainsi qu'un absorbeur de rayonnement de faible chaleur spécifique, permettant d'envisager la mise au point d'une matrice de bolomètres optimisée dans le cadre du projet QUBIC dont la campagne d'observation est prévue courant 2015 au dôme C du pôle Sud.

Cette thèse porte sur l'utilisation d'ondelettes de seconde génération pour l'étude statistique de champs aléatoires sphériques. Parmi les phénomènes modélisables par un tel champ, on s'intéressera en particulier au Fond diffus cosmologique (CMB).<br /><br />La localisation des needlets (récente construction d'ondelettes) sur la sphère est étudiée et optimisée en terme de concentration spatiale et d'estimation statistique. Ces fonctions sont ensuite utilisées pour construire un nouvel estimateur du spectre de puissance angulaire. L'examen des propriété de cet estimateur, d'un point de vue théorique (dans l'asymptotique des hautes fréquences angulaires) et pratique, montre qu'il améliore les méthodes existantes dans un modèle réaliste comportant des données manquantes et un bruit hétéroscédastique. A côté de l'estimation spectrale, l'utilisation des needlets est également introduite dans un problème de séparation de sources.<br /><br />Après quatre chapitres introductifs (dédiés respectivement aux aspects physiques, analytiques et statistiques de l'étude du CMB, puis à une présentation d'ensemble des résultats), quatre articles de revue (en collaboration) sont présentés : "Practical wavelet design on the sphere" ; "CMB power spectrum estimation using wavelets" ; "Spectral estimation on the sphere with needlets: high frequency asymptotics" et "A full sky, low foreground, high resolution CMB map from WMAP".