Les avalanches de neige en aérosol sont des bouffées de suspensions diluées de particules, très turbulentes qui descendent, de par leur poids, sur des pentes fortement inclinées. La motivation de la présente recherche était d'une part, d'améliorer notre connaissance de l'entraînement de neige du manteau neigeux par l'avalanche et d'autre part de développer un modèle théorique amélioré de la dynamique des avalanches. Le modèle théorique présenté dans cette thèse prend en compte les effets dus à la forte différence de densité entre l'avalanche et l'extérieur et démontre l'importance de l'entraînement de neige sur la vitesse de l'avalanche. Le modèle est en accord avec des mesures récentes de la vitesse de front d'une avalanche. Les paramètres du modèle (forme et croissance des bouffées) ont été déterminés à partir des expériences d'écoulements de laboratoire (d'eau salée ou de suspensions) dans un régime proche de celui des avalanches. Une extrapolation théorique de ces paramètres (obtenus en régime de Boussinesq) aux bouffées de forte densité (avalanches) est proposée. Les expériences de laboratoire avec des bouffées entraînant des particules indiquent l'influence que l'entraînement de particules a sur la vitesse de l'avalanche. Une représentation en variables adimensionnelles des vitesses des avalanches et des bouffées de laboratoire montre clairement les ressemblances et différences entre les deux types d'écoulements.

L'un des domaines de recherche les plus actifs concernant la physique des disques d'accrétion est la compréhension des mécanismes à l'origine du transport de moment cinétique. Deux instabilités sont susceptibles d'en être responsables dans les disques massifs et magnétisés: l'instabilité magnéto--rotationnelle (MRI), due à la présence du champ magnétique, et l'instabilité gravitationnelle lorsque la masse du disque est suffisante. <br /><br />Cette thèse étudie l'évolution de ces disques d'accrétion grâce à des simulations numériques magnétohydrodynamiques (MHD) globales en tenant compte du potentiel gravitationnel créé par le disque lui--même.<br /><br />Dans la première partie, des simulations bidimensionnelles à symétrie cylindrique <br />permettent de se concentrer sur les propriétés de l'instabilité MRI dans ce type de <br />disque: en accord avec les résultats obtenus dans les simulations de disques de faible masse, elle croît linéairement puis conduit à la turbulence MHD. La masse importante du disque modifie le profil radial de rotation dans ses parties externes.<br /><br />Les simulations tridimensionnelles réalisées dans la deuxième partie montrent que <br />la turbulence MHD et l'instabilité gravitationnelle interfèrent fortement: <br />l'interaction non--linéaire entre les modes gravitationnellement instables et ceux <br />excités par la turbulence entraîne une modulation périodique du taux \dac sur l'objet <br />central. De plus, la turbulence inhibe la formation de planètes par instabilité <br />gravitationnelle lorsque l'équation d'état est isotherme.<br /><br />Enfin, dans la troisième partie, des simulations numériques 2D sont effectuées <br />pour étudier la migration des planètes de masse terrestre dans un disque magnétisé. Elles confirment l'existence, prédite par une étude récente, de deux résonances magnétiques de part et d'autre de l'orbite de la planète. Leur présence modifie le couple exercé par le disque sur la planète. Le sens de migration de la planète s'inverse lorsque le champ magnétique décroît suffisamment rapidement avec le rayon.

La thèse est consacrée à la recherche des catastrophes marines (tsunamis, ondes de tempête) dans les Antilles françaises, en utilisant des modèles analytiques et numériques de mécanique des fluides. L'accent est mis sur le développement de modèles de mouvement de glissements de terrain et des vagues causées par ces glissements. Le modèle le plus simple du glissement de terrain «solide block» est utilisé pour évaluer les caractéristiques des flux pyroclastiques du volcan Soufrière-Hills (Montserrat). Un modèle plus complexe de modélisation de glissement de terrain (modèle de Savage-Hutter) a été étudié analytiquement, donnant ainsi une nouvelle famille de solutions exactes décrivant le mouvement de l'écoulement par gravité non linéaire dans une vallée ou dans un canyon sous-marin. Le modèle comprend des ondes simples (Riemann waves),le cas d'un barrage qui cède (dam-break problem), des solutions auto-similaires dans la M-fonne et « chapeaux paraboliques ». Grâce à la théorie linéaire de l'eau peu profonde nous avons étudié le processus de génération de tsunamis par des glissements de terrain de volume variable, se déplaçant à une vitesse variable dans un bassin de profondeur variable. Dans le cas d'un fond marin particulier (cas sans "réflexion"), les phénomènes de résonnance ont été étudiés dans un bassin à profondeur variable. Nous avons utilisé des méthodes numériques pour la résolution non-linéaire des équations des eaux peu profondes afin d'analyser des catastrophes marines réelles (les ondes de tempête causées par le cyclone Lili en 2002, le tsunami volcanique de 2003 à Montserrat) et probables (un tsunami prés des côtes de la Martinique). Des données sur les catastrophes / The dissertation is devoted to research in the field of marine natural hazards (tsunamis, storm surges) in the French West Indies, using analytical and numerical models of fluid mechanics. Emphasis is placed on the development of models of landslide motion and generated tsunami waves. The simple "solid block" model is used to evaluate the characteristics of pyroclastic flow Soufriere Hills volcano (Montserrat). The "fluid model" of a landslide (so called Savage-Hutter model) is studied analytically; within this model a new family of exact solutions that describe the motion of nonlinear gravity flow in a valley or underwater canyon is found: nonlinear Riemann wave, dan break problem, self-similar solutions (M - wave and parabolic cap). In the framework of the linear shallow water theory the process of generation of tsunami waves by landslides of variable volume moving with variable velocity above the basin of variable depth is studied. For the specific bottom profile ("reflectionless" one) the resonant phenomena is investigated in the basin of variable depth. Numerical methods are used to analyze marine hazards: historical (storm surges, caused by Cyclone LILI in 2002; volcanic tsunami 2003 on Montserrat) and possible events (possible tsunami of the coast of Martinique). Various data on marine natural disasters are obtained during field surveys (volcanic tsunami in 2003, stonn surges caused by Hurricane Dean in 2007). Designed catalogs of tsunamis and storm surges are created based on results of numerical modeling and field studies; some statistical analysis is perfomed

La cosmologie a atteint une ère passionnante. Pour la première fois dans l’histoire humaine, un modèle quantitatif pour la formation et l’évolution de l’Univers existe,expliquant une gamme très variée de phénomènes et ayant été testé avec une impressionnante. De plus, nous sommes à l’aube d’une époque dans laquelle nous aurons à notre disposition une abondance de données de grande qualité, ce qui nous permettra d’utiliser la cosmologie comme un outil pour tester la physique fondamentale.En particulier, comme les structures de grandes échelles de l’Univers sont gouvernées par la force de gravité, la cosmologie peut être utilisée pour tester la théorie de la relativité générale d’Einstein. Cette idée a inspiré la plupart des travaux décrits dans ce manuscrit, dans lequel j’ai étudié des théories alternatives au modèle standard de la cosmologie et des tests à grandes échelles pour la relativité générale.Dans la première partie de ma thèse, je me suis concentré sur les “théories tenseur-scalaire” de la gravité. Ce sont des théories alternatives de la gravité, dans lesquelles un champ scalaire, qui est responsable de l’accélération de l’expansion de l’Univers, est ajouté à l’action de Einstein-Hilbert. Dans le deuxième chapitre, j’ai décrit le modèle de K-mouflage, une “théorie tenseur scalaire”dans laquelle le champ scalaire possède un terme cinétique non-standard, en montrant son effet non négligeable sur la dynamique des amas des galaxies. J’ai aussi montré comment cet effet peut être utilisé pour contraindre le modèle de “K-mouflage” en utilisant des observations en rayon X.En particulier, j’ai montré que le cisaillement cosmique a un pouvoir assez limité actuellement pour contraindre ces théories, à cause de la faible précision des observations actuelles et des dégénérescences avec les processus baryoniques.Dans le cinquième chapitre, j’ai donné une description de mon étude des relations de cohérence. Ce sont des relations entreles fonctions de corrélation des champs cosmiques à (n + 1) et n points, valables aussi dans le régime non-linéaire.Leur intérêt vient du fait que leur dérivation dépend seulement du Principe d’Équivalence et de l’hypothèse de conditions initiales Gaussiennes, et donc elles peuvent être utilisées pour tester ces hypothèses fondamentales du modèle standard de la cosmologie.Des relations similaires ont été étudiées auparavant, mais j’ai montré comment il est possible d’obtenir des relations qui ne s’annulent pas lorsque tous les champs sont considérés au même instant. J’ai utilisé ce résultat pour obtenir des relations de cohérence entre fonctions de corrélation de quantités observables, notamment le champ de densité des galaxies et la fluctuation de température du fond diffus cosmologie donnée par l’effet Sachs-Wolfe. Ces relations peuvent être utilisées pour des tests de la relativité générale,reposant sur des observations par satellites, sans avoir besoin de modéliser la physique des baryons aux petites échelles.Enfin, j’ai donné un aperçu des quelques perspectives possibles pour poursuivre le travail décrit dans ce manuscrit.En particulier, j’ai souligné comment des simulations numérique sont nécessaires pourmieux comprendre la formation des structuresdans le contexte des modèles “K-mouflage” et“ultra-local”. En outre, elles peuvent être aussiutilisées pour tester les hypothèses sous-tendantl’analyse des lentilles gravitationnelles faiblesprésentée dans ce manuscrit, surtout pourdistinguer l’effet de la physique des baryons etdes neutrinos de l’effet des théories de gravitémodifiée sur le cisaillement cosmique. En cequi concerne les relations de cohérence, uneétude de faisabilité de leur mesure avec les“surveys” cosmologiques est nécessaire, pourcomprendre si elles peuvent donner descontraintes compétitives sur les théoriesalternatives de la gravité. / The study of physical cosmology has reached an exciting era. For the first time in human history, a quantitative model for the formation and the evolution of the Universe exists, which explains a wide range of phenomena and has been tested with incredible accuracy during the last century. Moreover, weare approaching a time when a bounty of high quality cosmological data will be available,allowing us to use cosmology as a tool to test fundamental physics.In particular, as the large-scale structures of the Universe are governed by gravity, cosmology can help us to asses the correctness of Albert Einstein’s general relativity. This idea fueledmost of the work described in this manuscript,in which we study alternative theories to the standard cosmological model and large-scale structure tests for general relativity.In particular, we focus on two scalar-tensor theories of gravity, the K-mouflage models described in Chapter 2 and the ultra-localmodels of gravity presented in Chapter 3. The K-mouflage theories are k-essence models with a non-standard kinetic term that were already studied at the linear and background levels. In this manuscript, we extend this description showing how the scalar field, which is responsible for the late time acceleration of the Universe, has a non-negligible impact on cluster dynamics, arguing that future surveysmay have the power of constraining K-mouflage models via X-ray observations. Next,we study the ultra-local models of gravity,where a scalar field with a negligible kinetic term is added to the Einstein-Hilbert action,investigating how the latter modifiescosmological structure formation and howthese models can be related to super-chameleonmodels.In Chapter 4, we present a cosmic shear data analysis in the context of f (R) and Dilaton models, and we show how current data canaccommodate most of the theories considered,once baryonic and neutrino physicsdegeneracies are taken into account. Finally, in Chapter 5 we present an analysis of consistency relations for large-scale structures,which are non-perturbative relations among correlations of cosmic fields. They are alsovalid in the non-linear regime, where very few analytical results are known, and only rely on the Equivalence Principle and primordial Gaussian initial conditions. This makes them a powerful tool to test general relativity and inflationary models using the cosmologic allarge-scale structures.We provide here the first non-vanishing equaltime consistency relations, which we use to obtain consistency relations involving observational quantities.In this Thesis manuscript, we highlight the major results of the full analysis done in the articles that are appended to the main text,where the reader can quench any thirst for technical details.

Les trous noirs primordiaux sont une sonde exceptionnelle pour rechercher des effets de nouvelle physique, à l'intersection de la relativité générale, de la mécanique quantique, de la physique des particules et de la cosmologie. Ce mémoire présente quelques pistes d'études relatives à ces objets astrophysiques fascinants. D'abord, autour de leur recherche via l'étude des rayons cosmiques qui seraient émis par évaporation de Hawking. Des liens entre les limites obtenues et les modèles d'inflation sont ensuite proposés afin d'obtenir une borne supérieure très contraignante - et totalement inaccessible aux observables usuelles que sont le fond diffus et les grandes structures - sur la puissance aux petites échelles dans l'Univers primordial. La fin de l'évaporation des trous noirs est etudiée en gravité de corde et leur statut de candidat à la matière noire froide revisité dans le cadre des modèles à brisure d'invariance d'échelle. Enfin, dans le cadre des modèles à basse échelle de Planck (c'est-à-dire présentant de larges dimensions supplémentaires), la formation de trous noirs auprès des collisionneurs est envisagée. Nous montrons que des effets de gravité quantique (couplage de Gauss-Bonnet) pourraient être sondés au LHC. Quelques voies d'investigations futures, liées à la présence d'une constante cosmologique ou au rayonnement cosmique d'énergie extrême sont esquissées.

La relativité générale est la théorie rendant compte de la gravitation via une déformation de l'espace-temps. Son application à l'Univers permet, dans le modèle Lambda-CDM, de bien rentre compte des observations cosmologiques. Cependant, à l'échelle de Planck, la théorie ne fonctionne plus et s'avère incohérente. Pour résoudre ce problème, il est sans doute essentiel de tenir compte des effets quantiques. Depuis près d'un siècle, concilier relativité générale et mécanique quantique est considéré comme une priorité de la physique théorique. La tâche s'avère néanmoins extraordinairement difficile et cette thèse est consacrée à l'une des pistes les plus sérieuses : la gravitation quantique à boucles. Pour aller de l'avant dans cette démarche nécessaire mais complexe, des confrontation avec des données expérimentales seraient essentielles. Nous nous sommes ainsi intéressés aux perturbations cosmologiques générées dans ce cadre. Nous avons étudié en détails les conséquences phénoménologiques des corrections de cosmologie quantique à boucles aux modes tensoriels dans un modèle d'univers en rebond. Une analyse de Fisher a été développée pour comparer ces prédictions aux éventuelles futures observations. Pour les autres modes, nous nous sommes placés dans un formalisme spécifique incluant le calcul de contre-termes permettant de prévenir l'apparition d'anomalies dans la structure de l'algèbre des contraintes. Ce formalisme a été appliqué aux cas des perturbations vectorielles puis scalaires. Les équations du mouvement invariantes de jauges permettant de calculer les spectres ont alors été dérivées.

La relativité générale est la théorie rendant compte de la gravitation via une déformation de l'espace-temps. Son application à l'Univers permet, dans le modèle Lambda-CDM, de bien rentre compte des observations cosmologiques. Cependant, à l'échelle de Planck, la théorie ne fonctionne plus et s'avère incohérente. Pour résoudre ce problème, il est sans doute essentiel de tenir compte des effets quantiques. Depuis près d'un siècle, concilier relativité générale et mécanique quantique est considéré comme une priorité de la physique théorique. La tâche s'avère néanmoins extraordinairement difficile et cette thèse est consacrée à l'une des pistes les plus sérieuses : la gravitation quantique à boucles. Pour aller de l'avant dans cette démarche nécessaire mais complexe, des confrontation avec des données expérimentales seraient essentielles. Nous nous sommes ainsi intéressés aux perturbations cosmologiques générées dans ce cadre. Nous avons étudié en détails les conséquences phénoménologiques des corrections de cosmologie quantique à boucles aux modes tensoriels dans un modèle d'univers en rebond. Une analyse de Fisher a été développée pour comparer ces prédictions aux éventuelles futures observations. Pour les autres modes, nous nous sommes placés dans un formalisme spécifique incluant le calcul de contre-termes permettant de prévenir l'apparition d'anomalies dans la structure de l'algèbre des contraintes. Ce formalisme a été appliqué aux cas des perturbations vectorielles puis scalaires. Les équations du mouvement invariantes de jauges permettant de calculer les spectres ont alors été dérivées. / General relativity describes gravity as a deformation of space-time. Applied to the Universe as a whole, it explains well cosmological observations in the lambda-CDM paradigm. However, at the Planck scale, the theory is not anymore self-consistent. It is most probably necessary to include quantum effects. For a century, this has been considered as one of the main challenges for theoretical physics. This is however an extremely difficult aim to reach and this thesis is devoted to one of the main proposal: Loop Quantum Gravity. To go ahead in the construction of any quantum theory of gravity, it would be most useful to compare predictions with observations. To this aim, we have studied cosmological perturbations in this framework. We have investigated into the details the phenomenological consequences of loop quantum cosmology corrections in a bouncing universe. A Fisher analysis was carried out to compare the predictions with future data. For the other modes, we have used a specific formalism to include counterterms that prevent anomalies from appearing in the algebra of constraints. This formalism was applied to vector and scalar perturbations. The gauge-invariant equations of motion leading to the calculation of measurable spectra were derived.

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La philosophie de cette thèse est de dire que nos plus grandes chances de trouver et de caractériser les ingrédients essentiels du modèle cosmologique passe par l'élargissement de l'éventail des méthodes que l'on peut utiliser dans le but de trouver une nouvelle physique. Bien qu'il soit d'une importance primordiale de continuer à affiner, à de-biaiser et à rendre plus puissantes, les stratégies qui ont contribué à établir le modèle de concordance, il est également crucial de remettre en question, avec de nouvelles méthodes, tous les secteurs de l'actuel paradigme cosmologique. Cette thèse, par conséquent, s'engage dans le défi de développer des sondes cosmologiques nouvelle et performantes qui visent à optimiser les résultats scientifiques des futures grand sondages de galaxies. L'objectif est double. Du côté théorique, je cherche à mettre au point de nouvelles stratégies de test qui sont peu (voire pas du tout) affectées par des incertitudes astrophysiques ou par des modèles phénoménologiques qui ne sont pas complet . Cela rendra les interprétations cosmologiques plus facile et plus sûr. Du côté des observations, l'objectif est d'évaluer les performances des stratégies proposées en utilisant les données actuelles, dans le but de démontrer leur potentiel pour les futures grandes missions cosmologiques tels que BigBoss et EUCLID. / The philosophy of this thesis is that our best chances of finding and characterizing the essential ingredients of a well grounded cosmological model is by enlarging the arsenal of methods with which we can hunt for new physics. While it is of paramount importance to continue to refine, de-bias and power, the very same testing strategies that contributed to establish the concordance model, it is also crucial to challenge, with new methods, all the sectors of the current cosmological paradigm. This thesis, therefore, engages in the challenge of developing new and performant cosmic probes that aim at optimizing the scientific output of future large redshift surveys. The goal is twofold. From the theoretical side, I aim at developing new testing strategies that are minimally (if not at all) affected by astrophysical uncertainties or by not fully motivated phenomenological models. This will make cosmological interpretations easier and safer. From the observational side, the goal is to gauge the performances of the proposed strategies using current, state of the art, redshift data, and to demonstrate their potential for the future large cosmological missions such as BigBOSS and EUCLID.

A l'aune d'une possible unification de la Mecanique Quantique et de la Relativite Generale, le processus d'evaporation des trous noirs est sans nul doute l'un des phenomenes privilegies pour avoir acces a des effets de gravite quantique. Apres une rapide presentation de la theorie de la gravitation d'Einstein et d'une possible extension sous forme de serie de Taylor en courbure scalaire, l'evaporation de Hawking est abordee en se focalisant sur le calcul des facteurs de corps gris, i.e. de la probabilite tunnel qu'une particule issue de la brisure des fluctuations du vide s'echappe definitivement de l'attraction gravitationnelle du trou noir. J'ai developpe une methode analytique semi-classique pour l'etude de la dynamique de champs scalaires se propageant en espace-temps statique et a symetrie spherique, ainsi qu'une methode numerique pour la determination exacte des facteurs de corps gris pour des champs de spin s=0, 1/2 et 1. Ces methodes ont ete appliquees au cas de trous noirs de Schwarzschild en theorie de Lovelock a l'ordre deux (theorie de Gauss-Bonnet) et avec dimensions supplementaires, pour ainsi aboutir a une evaluation exacte des spectres rayonnes, etape necessaire pour la verification des quatres principes de la thermodynamique des trous noirs. Dans le cadre des scenarii branaires de type Arkani-Hamed, Dimopoulos & Dvali (ADD), abaissant l'echelle de Planck a l'ordre du TeV et ouvrant ainsi la possibilite de production de trous noirs par collision de particules dans le cosmos ou aupres des futurs collisionneurs, les possibilites de contraindre le Lagrangien gravitationnel a l'aide du mecanisme d'evaporation des trous noirs ont ete abordees: les modeles ADD ne sont pas en contradiction avec les donnees cosmologiques et de rayonnement cosmique et il serait possible de distinguer la presence ou non d'un terme de Gauss-Bonnet dans le Lagrangien d'Einstein-Hilbert. La question des inhomogeneites primordiales aux petites echelles de longueur ainsi que celle de la matiere noire sont aussi abordees dans cette these, respectivement a la lumiere des trous noirs primordiaux et des theories a dimensions supplementaires.