La dynamique du milieu interstellaire (MIS) est au cœur de notre compréhension de la formation des étoiles. La structuration du MIS est régiée par l’interaction entre gravité, mouvements turbulents et champs magnétiques. Si les deux premiers acteurs sont bien caractérisés par les observations, le r ˆ ole du champ magnétique Galactique (CMG), ainsi que son interaction avec la matière interstellaire, sont encore peu connus. La cartographie complète du ciel dans le domaine submillimétrique réalisée par le satellite Planck nous permet d’étudier la structure du CMG, projetée sur le plan du ciel, à partir de la polarisationde l’émission de la poussière interstellaire. Dans cette thèse, nous présentons une analyse des cartes en polarisation à 353 GHz, observées par l’instrument à hautes fréquences HFI de Planck. Nous étudions la structure du CMG et son interaction avec la turbulence interstellaire, de l’ensemble du voisinage Solaire aux échelles de la structure en filaments de la matière, dans le milieu diffus et les nuages moléculaires. La première étude statistique de la corrélation entre la géométrie du CMG et la structure de matière interstellaire est réaliséeen utilisant une méthode originale pour identifier les structures et mesurer leur orientation sur l’ensemble du ciel, puis quantifier les effets de projections. Les résultats sont interprétés en référence aux hypothèses théoriques et aux résultats obtenus à partir de simulationsnumériques magnétohydrodynamiques. Nous concluons que la turbulence tend à former des structures parallèles au champ magnétique dans le milieu diffus, et la gravité des structures perpendiculaires au champ dans les nuages moléculaires. Enfin, nous présentons et discutons deux perspectives liées à notre travail: la modélisation du ciel en polarisation aux hautes latitudes Galactiques comme avant-plan du fond cosmologique, et la relation entre cinématique du gaz et champ magnétique dans les structures en filaments du MIS. / The study of the dynamics of the interstellar medium (ISM) is essential to understand star formation. The ISM is a turbulent and magnetized medium governed by the interplay of self-gravity, turbulent motions and magnetic fields. While the former two are well characterized byexisting models and observations, today, the role of the Galactic magnetic field (GMF), and its interaction with interstellar matter, represent the most difficult aspects to probe. Thanks to its high sensitivity and resolution, full-sky coverage, and imaging at sub-mm wavelengths,the Planck satellite represents an enormous step forward in the characterization of the statistical properties of the GMF, as traced by dust polarization. In this thesis we present an analysis of the 353 GHz Stokes parameters maps (I, Q, U) observed with the High Frequency Instrument (HFI) of Planck. we aim at studying the structure of the GMF, and its interplay with interstellar turbulence, from the largest scales in the Solar neighborhood to those of the filamentary structures in the diffuse ISM and molecular clouds. We also develop a dedicated methodology to produce the first statistical study on the correlation betweenthe geometry of the GMF, projected on the plane of the sky, and the structure of interstellar matter. We interpret the results of the data analysis in light of theoretical models and Magneto-Hydrodynamic (MHD) numerical simulations, and conclude that my findings supporta scenario of formation of structures in the ISM where turbulence organizes matter parallel to the magnetic field in the diffuse medium, and the gas self-gravity produces perpendicular structures in the densest and magnetically dominated regions. We propose and discuss several perspectives of research related to our results, from the modeling of the high-latitude sky in polarization, for the investigation of dust properties and cosmological foregrounds, to the comparison of magnetic fields with the kinematics of the filamentary structures in the SM.

Polarimetric CCD images of HII regions were obtained using a rotating polarizer device designed, built, and used in conjunction with the Spectral Line Imaging Camera (SLIC) at Virginia Tech's Martin Observatory in Giles County, Virginia. The SLIC uses a narrow bandpass interference filter coupled with a 58 mm camera lens and cryogenically cooled CCD camera to image diffuse, extended H-alpha emission over a 10° angular extent. A rotating polarizer device was placed in front of the H-alpha filter with images recorded at every 45° with respect to a fiducial setting. Stoke's parameters and were obtained and polarization maps of selected HII regions were created. Maps of the Monoceros supernova remnant and the Rosette Nebula (NGC 2237-9) were made in an attempt to detect polarization by selective extinction in H light. While this was not detected, polarization by scattering in a dust shell around the Rosette Nebula (NGC 2237-9) was observed. Scattered continuum light from the central star cluster NGC 2244 in the H-alpha bandpass was ruled out. Using Celnik's (1985) map of extinction across the Rosette Nebula at the H wavelength, coupled with Serkowski's empirical relationship between maximum polarization and color excess, it was shown that the maximum degree of polarization seen in the Rosette Nebula should be no more than 3% to 4%. The polarization observed in this project reaches values as high as 10%. It was found that a correlation exists between the H-alpha intensity and infrared emission by dust grains in all four IRAS waveband images in the suspected scattering region of the Rosette Nebula. A radial comparison between [SII] images and H-alpha images in the region of high polarization showed that the H-alpha intensity in that region is dominated by scattered H-alpha light from the Rosette Nebula. A single scattering model was constructed in an effort to predict the observed polarization. The model used parameters based on 21 cm observations by Kuchar and Bania (1993) of the HI shell which surrounds the HII region of the Rosette Nebula. The single scattering model can not accurately predict the degree of polarization. It was concluded that a multiple scattering model is required. A spatial comparison of the 12 m emission with the degree of polarization strongly suggested that multiple scattering is important in describing the observed radial behavior of polarization. Polarization images of regions in Cygnus were obtained. A polarization map of the North America Nebula (NGC 7000) and surroundings reveals a large amount of polarization. The map reveals that scattering of H-alpha light from the North America Nebula is the most likely cause of polarization in these images. From the analysis in this thesis, I conclude that in the northwest quadrant, at radial distances greater than 40 from the center of the Rosette Nebula, the observed H-alpha intensity is due to scattered H light from the nebula itself. This implies that, in H-alpha , the Rosette Nebula appears slightly larger than it actually is. With evidence of polarization by scattered H supported by the polarization map of the North America Nebula (NGC 7000), it is concluded that other HII regions may very well appear larger in H-alpha than they actually are. Thus, scattered H-alpha light may account for a small part of the more extended warm ionized medium as well. / Ph. D.

Les preuves pour l'existence de la matière noire (MN), sous forme d'une particule inconnue qui rempli les halos galactiques, sont issues d'observations astrophysiques et cosmologiques: son effet gravitationnel est visible dans les rotations des galaxies, des amas de galaxies et dans la formation des grandes structures de l'univers. Une manifestation non-gravitationnelle de sa présence n'a pas encore été découverte. L'une des techniques les plus prometteuse est la détection indirecte de la MN, consistant à identifier des excès dans les flux de rayons cosmiques pouvant provenir de l'annihilation ou la désintégration de la MN dans le halo de la Voie Lactée. Les efforts expérimentaux actuels se focalisent principalement sur une gamme d'énergie de l'ordre du GeV au TeV, où un signal de WIMP (Weakly Interacting Massive Particles) est attendu. L'analyse des mesures récentes et inédites des rayons cosmiques chargés (antiprotons, électrons et positrons) et leurs émissions secondaires et les améliorations des modèles astrophysiques sont présentées.Les données de PAMELA sur les antiprotons contraignent l'annihilation et la désintégration de la MN de manière similaire (et même légèrement meilleurs) que les contraintes les plus fortes venant des rayons gamma, même dans le cas où les énergies cinétiques inférieures à 10 GeV sont écartées. En choisissant des paramètres astrophysiques différents (modèles de propagation et profils de MN), les contraintes peuvent changer d'un à deux ordres de grandeur. Pour exploiter la totalité de la capacité des antiprotons à contraindre la MN, des effets précédemment négligés sont incorporés et se révèlent être importants dans l'analyse des données inédites de AMS-02 : ajouter les pertes d'énergie, la diffusion dans l'espace des moments et la modulation solaire peut modifier les contraintes, même à de hautes masses. Une mauvaise interprétation des données peut survenir si ces effets ne sont pas pris en compte. Avec les flux de protons et d'hélium exposé par AMS-02, le fond astrophysique et ces incertitudes du ratio antiprotons sur protons sont réévalués et comparés aux données inédites de AMS-02. Aucune indication pour un excès n'est trouvé. Une préférence pour un halo confinant plus large et une dépendance en énergie du coefficient de diffusion plus plate apparaissent. De nouvelles contraintes sur l'annihilation et la désintégration de la MN sont ainsi dérivés.Les émissions secondaires des électrons et des positrons peuvent aussi contraindre l'annihilation et la désintégration de la MN dans le halo galactique : le signal radio dû à la radiation synchrotron des électrons et positrons dans le champs magnétique galactique, les rayons gamma des processus de bremsstrahlung avec le gas galactique et de Compton Inverse avec le champs radiatif interstellaire sont considérés. Différentes configurations de champs magnétique galactique et de modèles de propagation et des cartes de gas et de champs radiatif interstellaire améliorés sont utilisées pour obtenir des outils permettant le calculs des émissions synchrotrons et bremsstrahlung venant de MN de type WIMP. Tous les résultats numériques sont incorporés dans la dernière version du Poor Particle Physicist Coookbook for DM Indirect Detection (PPPC4DMID).Une interprétation d'un possible excès dans les données de rayons gamma de Fermi-LAT au centre galactique comme étant dû à l'annihilation de MN en canaux hadronique et leptonique est analysée. Dans une approche de messagers multiples, le calcul des émissions secondaires est amélioré et se révèle être important pour la détermination du spectre pour le canal leptonique. Ensuite, les limites provenant des antiprotons sur l'annihilation en canal hadronique contraignent sévèrement l'interprétation de cet excès comme étant dû à la MN, dans le cas de paramètres de propagation et de modulation solaire standards. Avec un choix plus conservatif de ces paramètres elles s'assouplissent considérablement. / Overwhelming evidence for the existence of Dark Matter (DM), in the form of an unknownparticle filling the galactic halos, originates from many observations in astrophysics and cosmology: its gravitational effects are apparent on galactic rotations, in galaxy clusters and in shaping the large scale structure of the Universe. On the other hand, a non-gravitational manifestation of its presence is yet to be unveiled. One of the most promising techniques is the one of indirect detection, aimed at identifying excesses in cosmic ray fluxes which could possibly be produced by DM annihilations or decays in the Milky Way halo. The current experimental efforts mainly focus in the GeV to TeV energy range, which is also where signals from WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) are expected. Focussing on charged cosmic rays, in particular antiprotons, electrons and positrons, as well as their secondary emissions, an analysis of current and forseen cosmic ray measurements and improvements on astrophysical models are presented. Antiproton data from PAMELA imposes contraints on annihilating and decaying DM which are similar to (or even slightly stronger than) the most stringent bounds from gamma ray experiments, even when kinetic energies below 10 GeV are discarded. However, choosing different sets of astrophysical parameters, in the form of propagation models and halo profiles, allows the contraints to span over one or two orders of magnitude. In order to exploit fully the power of antiprotons to constrain or discover DM, effects which were previously perceived as subleading turn out to be relevant especially for the analysis of the newly released AMS-02 data. In fact, including energy losses, diffusive reaccelleration and solar modulation can somewhat modify the current bounds, even at large DM masses. A wrong interpretation of the data may arise if they are not taken into account. Finally, using the updated proton and helium fluxes just released by the AMS-02 experiment, the astrophysical antiproton to proton ratio and its uncertainties are reevaluated and compared to the preliminarly reported AMS-02 measurements. No unambiguous evidence for a significant excess with respect to expectations is found. Yet, some preference for thicker halos and a flatter energy dependence of the diffusion coefficient starts to emerge. New stringed constraints on DM annihilation and decay are derived. Secondary emissions from electrons and positrons can also be used to constrain DM annihilation or decay in the galactic halo. The radio signal due to synchrotron radiation of electrons and positrons on the galactic magnetic field, gamma rays from bremsstrahlung processes on the galactic gas densities and from Inverse Compton scattering processes on the interstellar radiation field are considered. With several magnetic field configurations, propagation scenarios and improved gas density maps and interstellar radiation field, state-of-art tools allowing the computaion of synchrotron and bremssttrahlung radiation for any WIMP DM model are provided. All numerical results for DM are incorporated in the release of the Poor Particle Physicist Coookbook for DM Indirect Detection (PPPC4DMID). Finally, the possible GeV gamma-ray excess identified in the Fermi-LAT data from the Galactic Center in terms of DM annihilation, either in hadronic or leptonic channels is studied. In order to test this tantalizing interprestation, a multi-messenger approach is used: first, the computation of secondary emisison from DM with respect to previous works confirms it to be relevant for determining the DM spectrum in leptonic channels. Second, limits from antiprotons severely constrain the DM interpretation of the excess in the hadronic channel, for standard assumptions on the Galactic propagation parameters and solar modulation. However, they considerably relax if more conservative choices are adopted.