L'objectif de mon travail de thèse a consisté à tenter de comprendre quels sont les mécanismes principaux à l'origine de la formation d'étoiles dans les galaxies au cours des derniers dix milliards d'années. Alors qu'il avait été proposé dans le passé que le rôle des fusions de galaxies était dominant pour expliquer l'allumage de la formation d'étoiles dans les galaxies lointaines formant leurs étoiles à de très grands taux, des études plus récentes ont au contraire mis en évidence des lois d'échelles reliant le taux de formation d'étoiles des galaxies à leur masse stellaire ou masse de gaz. La faible dispersion de ces lois semblait être en contradiction avec l'idée d'épisodes stochastiques violents de formation stellaire liés à des interactions, mais plutôt en accord avec une nouvelle vision de l'histoire des galaxies où celles-ci sont nourries de manière continue en gaz intergalactique.Nous nous sommes particulièrement intéressés à l'une de ces lois d'échelles, la relation entre le taux de formation d'étoiles (SFR) et la masse stellaire des galaxies, appelées communément la séquence principale des galaxies à formation d'étoiles. Nous avons étudié cette séquence principale, SFR-M*, en fonction de la morphologie et d'autres paramètres physiques comme le rayon, la couleur, la clumpiness. Le but étant de comprendre l'origine de la dispersion de cette relation en lien avec les processus physiques responsables de cette séquence afin d'identifier le mode principal de formation d'étoile gouvernant cette séquence. Ce travail a nécessité une approche multi-longueurs d'ondes ainsi que l'utilisation de simulations de profils de galaxies pour distinguer les différents types morphologiques de galaxies impliqués dans la séquence principale.

Les propriétés globales des galaxies montrent une forte évolution du taux de formation stellaire et de la densité de masse stellaire à l'époque de l'assemblage des galaxies précédent le pic de formation stellaire dans l'univers, produite par plusieurs processus physiques concurrents (fusion, accrétion, rétroaction, environnement, ...). Les propriétés morphologiques des galaxies ont aussi fortement évolué à la même époque. Dans cette thèse, j'étudie comment l'évolution des propriétés morphologique est reliée aux propriétés spectrophotométriques des galaxies depuis z ~ 6. Les données spectroscopiques obtenues au sein du VIMOS Ultra Deep Survey (VUDS), un nouveau sondage spectroscopique unique de ~ 10000 galaxies entre redshift z~2 et z~6 qui fournissent un excellent moyen de sonder l'évolution galactique à travers cette époque cosmique. A partir des mes résultats, je conclus que les différentes propriétés morphologiques de galaxies à formation stellaire aux redshifts 2<z<6 montrent qu'il existe plusieurs façons pour les galaxies de se former. La grande diversité de tailles, la fraction importante de super-amas d'étoiles et de gaz très lumineux indiquant des fusions et ceux moins lumineux résultant probablement d'instabilités dans la formation des disques galactiques, avec la prévalence de galaxies irrégulières couvrant un grand domaine de masse stellaire et formation stellaire, pointent ensemble un scénario ou l'assemblage des galaxies procéde de différents méchanismes physiques. La formation des galaxies apparait plus complexe qu'un scénario simple impliquant la formation d'un disque avec de l'accrétion de gaz pourrait le faire croire. / The global properties of galaxies show a strong evolution of the star formation rate and stellar mass density at the epoch of galaxy assembly, driven by several competing physical processes (merging, accretion, feedback, environment,...). The morphological properties of galaxies are also strongly evolving over the same timescales. I investigate how the evolution of the morphological properties is connected to the spectrophotometric properties of galaxies since z~6. The spectroscopic data obtained within the VIMOS Ultra Deep Survey (VUDS), a new unique spectroscopic survey of ~10000 galaxies between redshifts z~2 and z~6 conducted at the ESO-VLT, combined with the available Hubble Space Telescope imaging surveys such as COSMOS or CANDELS provide a great way of probing galactic evolution across this cosmic epoch.From the results that I have obtained, I conclude that the different morphological properties of star-forming galaxies at 2<z<6 show that there are several mechanisms that take part in galaxy formation. The great diversity in galaxy sizes, the high number of bright two clump systems as well as faint multi-clump systems indicating merger and disk instabilities processes, respectively, and the wide range in physical properties that are populated by irregular galaxies all point to a diverse history for galaxy formation. This suggests that forming galaxies is far more complex that the simple explanation of evolution from gas accretion alone.

La découverte d'une population de galaxies submillimétrique (SMG) obscurcies par la poussière à grand décalage spectral, à l'aide de caméras submm, a révolutionné notre connaissance de l'évolution des galaxies et de la formation stellaire dans les conditions physiques extrêmes. Elles sont les flambées de formation stellaire les plus intenses dans l'Univers, approchant la limite d'Eddington et sont considérées comme les progéniteurs des galaxies actuelles les plus massives. Les modèles théoriques d'évolution de galaxies ont été remis en question par la découverte d'un grand nombre de SMGs à grand décalage spectral. Quelques unes sont fortement lentillées gravitationnelement par une galaxie. Les grands relevés extragalactiges récemment effectués en ont découvert plusieurs centaines, ouvrant de nouvelles opportunités pour observer le milieu interstellaire dans ces objets exceptionnels.Nous avons donc sélectionné un échantillon de SMG fortement lentillées à l'aide des densités de flux submm du relevé Herschel-ATLAS. À l'aide des télescopes de l'IRAM, nous avons construit un échantillon de 16 SMG détectés par la raie de l'eau. Nous avons trouvé une corrélation linéaire forte entre les luminosité d'H2O et infrarouge totale. Cela indique le rôle important du pompage IR lointain dans l'excitation des raies de l'eau. En utilisant un modèle de pompage IR lointain, nous avons obtenus les propriétés physiques du gaz et de la poussière. Nous avons montré que l'eau trace un gaz chaud et dense qui peut être étroitement lié à la formation des étoiles. Plusieurs raies d'H2O+ ont également été détectées dans trois SMG, montrant une corrélation étroite entre les luminosités des raies de H₂ O/H₂ O+ des ULIRG locales aux SMG. Le rapport de flux H2O+/H2O suggère que les rayons cosmiques provenant des activités fortes de formation stellaire sont probablement à l'origine de la chimie de l'oxygène.Nous avons observé de multiples transitions de CO dans chacune de nos SMG. Nous avons mis en évidence un effet significatif de lentillage différentiel qui peut entraîner une sous-estimation de la largeur de raie d'un facteur ~2. A l'aide d'une modélisation de type LVG et en utilisant une approche bayésienne, nous avons estimé la densité et la température du gaz, ainsi que sa densité de colonne. Nous avons ensuite mis en évidence une corrélation entre la pression thermique du gaz et l'efficacité de la formation stellaire. Nous avons également étudié les propriétés globales du gaz moléculaire et sa relation avec la formation d'étoiles ainsi que le rapport masse de gaz sur poussière et le temps d'épuisement du gaz. La détections de raies de carbone atomique dans ces SMG a étendu la corrélation linéaire locale entre luminosité des raies de CO/CI. Enfin, nous avons comparé les largeurs de raie de CO/H₂ O et constaté qu'elles étaient en bon accord. Cela suggère que les régions émettrices soient co-spatiale.Afin de comprendre les propriétés des émissions moléculaires dans ces sources, et plus généralement, leur structure et leur propriétés dynamiques, il est crucial d'acquérir des images à haute résolution angulaire. Nous avons donc observé deux sources avec ALMA/NOEMA en configuration étendue. Ces données nous permettent de reconstituer la morphologie intrinsèque de la source. Les émissions de poussière froide ont une plus petite taille en comparaison avec le gaz CO/H2 O, tandis que les deux derniers sont de taille similaire. En ajustant le modèle dynamique aux données CO, nous avons montré que ces galaxies peuvent être modélisée avec un disque en rotation, duquel nous avons pu déduire leurs masses dynamiques projetées et leurs rayons effectifs.Avec le futur NOEMA/ALMA, nous pourrons étendre ce genre d'observations à un plus grand nombre de SMG fortement amplifiées et même à des SMG non lentillées, afin d'étudier divers traceurs du gaz moléculaire et de comprendre les conditions physiques du milieux interstellaire et leur relation avec la formation des étoiles. / The discovery of a population of high-redshift dust-obscured submillimeter galaxies (SMGs) from ground-based submm cameras has revolutionised our understanding of galaxy evolution and star formation in extreme conditions. They are the strongest starbursts in the Universe approaching the Eddington limit and are believed to be the progenitors of the most massive galaxies today. However, theoretical models of galaxy evolution have even been challenged by a large number of detections of high-redshift high-redshift SMGs. A very few among them are gravitationally lensed by an intervening galaxy. Recent wide-area extragalactic surveys have discovered hundreds of such strongly lensed SMGs, opening new exciting opportunities for observing the interstellar medium in these exceptional objects.We have thus carefully selected a sample of strongly gravitational lensed SMGs based on the submm flux limit from the Herschel-ATLAS sample. Using IRAM telescopes, we have built a rich H₂ O-line-detected sample of 16 SMGs. We found a close-to-linear tight correlation between the H2O line and total infrared luminosity. This indicates the importance of far-IR pumping to the excitation of the H2O lines. Using a far-IR pumping model, we have derived the physical properties of the H2O gas and the dust. We showed that H2O lines trace a warm dense gas that may be closely related to the active star formation. Along with the H2O lines, several H2O+ lines have also been detected in three of our SMGs. We also find a tight correlation between the luminosity of the lines of H2O and H2O+ from local ULIRGs to high-redshift SMGs. The flux ratio between H2O+ and H2O suggests that cosmic rays from strong star forming activities are possibly driving the related oxygen chemistry.Another important common molecular gas tracer is the CO line. We have observed multiple transitions of the CO lines in each of our SMGs with IRAM30m telescope. By analysing the CO line profile, we discovered a significant differential lensing effect that might cause underestimation of the linewidth by a factor of ~2. Using LVG modelling and fitting the multi-J CO fluxes via a Bayesian approach, we derived gas densities and temperature, and CO column density per unit velocity gradient. We then found a correlation between the gas thermal pressure and the star formation efficiency. We have also studied the global properties of the molecular gas and its relationship with star formation. We have derived the gas to dust mass ratio and the gas depletion time, they show no difference compared with other SMGs. With the detections of atomic carbon lines in our SMGs, we extended the local linear correlation between the CO and CI line luminosity. Finally, we compared the linewidths of the CO and H2O emission line, which agree very well with each other. This suggests that the emitting regions of these two molecules are likely to be co-spatially located.In order to understand the properties of molecular emission in high-redshift SMGs, and more generally, the structure and the dynamical properties of these galaxies, it is crucial to acquire high-resolution images. We thus observed two of our brightest source with ALMA and NOEMA interferometers using their high spatial resolution configuration. These images have allowed us to reconstruct the intrinsic morphology of the sources. We compared the CO, H2O and dust emission. The cold dust emission has a smaller size compared with the CO and H2O gas, while the latter two are similar in size. By fitting the dynamical model to the CO data of the source, we have shown that the source can be modelled with a rotating disk. We derived the projected dynamical mass and the effective radius of those sources.With the future NOEMA and ALMA, we will be able to extend such kind of observations to a larger sample lensed SMGs and even to unlensed SMGs, to study various gas tracers, and to understand the physical conditions of the ISM and their relation to the star formation.

Cette thèse explore la question ouverte des mécanismes selon lesquels les galaxies lointaines évoluent au cours du temps. Elle se concentre sur l’étude des galaxies irrégulières et sur la cause de l’évolution en taille des galaxies passives et compactes. Bien que des régions de formation stellaire très lumineuses (clumps) soient observées dans les galaxies irrégulières depuis longtemps, leur nature et évolution sont encore débattues. Les instabilités gravitationnelles des disques ont été proposées comme la cause principale pour la formation in-situ des clumps, même si certains d’entre eux pourraient avoir une origine ex-situ. De plus, il n’est pas encore clair s’ils peuvent vivre longtemps ou si les vents stellaires les détruisent rapidement. À partir de l’étude détaillée d’un clump très jeune que nous avons découvert dans le disque d’une galaxie à redshift z~2 et de l’analyse d’un échantillon statistique, j’ai conclu que les clumps peuvent se former in-situ et qu’ils vivent typiquement 500 Myr. Ce résultat conforte les simulations numériques qui indiquent que les clumps ont un rôle important pour la croissance de leur noyau. Cela pourrait stabiliser le disque et y avoir un lien avec la formation des galaxies compactes et passives qui ont été decouvertes à haut redshift. Elles ont des tailles significativement plus petites, à masse égale, que celles de leurs homologues locales. Cette découverte a déclenché un débat concernant les possibles mécanismes qui peuvent augmenter leur taille sans altérer leur masse. J’ai analysé un échantillon de 32 galaxies et j’ai conclu que des multiples fusions mineures pourraient être les responsables principaux de leur evolution temporelle / This thesis explores the still unanswered question of how distant galaxies evolve through cosmic time: on one side it focuses on star-forming clumpy galaxies, on the other it investigates the size evolution of passive compact ones. Despite star forming clumps have been observed in high-redshift irregular galaxies since a while, their nature and fate are still highly debated. Violent gravitational disk instability in gas-rich, turbulent galaxies has been proposed as the main cause for in-situ clumps formation, although a fraction of them might have an ex-situ origin. Furthermore, clumps contribution to galaxy evolution is highly debated: it is not clear yet if they are long-lived or if stellar feedback rapidly disrupts them. From both the in-depth study of an extremely young clump that we discovered in the disk of a galaxy at redshift z ~ 2, and the analysis of a full statistical sample, I concluded that at least some clumps form in-situ due to violent disk instability and that they typically live ~ 500 Myr. This supports numerical simulations indicating that clumps are longlived and could play an important role in bulge growth. This might stabilize the disk, quench star formation and have therefore a link with the formation of the compact and passive galaxies that have been observed at high redshift. They have significant smaller sizes, at fixed stellar mass, than local counterparts. This discovery has ignited an important debate concerning the possible mechanisms that could inflate the galaxy sizes without altering much their mass. I analyzed a sample of 32 galaxies and I concluded that multiple minor mergers could be the main drivers of their observed time evolution

Dans l’Univers, on observe des galaxies lointaines ne formant plus d’étoiles, mais les astrophysiciens n’ont pas encore identifié avec certitude les phénomènes physiques à l’origine de leur “mort”. Pour apporter des éléments de réponse, je me suis penchée sur l’étude de phénomènes qui pourraient y jouer un rôle : les processus de rétroaction des étoiles et des trous noirs supermassifs actifs, la formation stellaire, et les vents galactiques. Le Chapitre 1 présente toutes les notions nécessaires à la compréhension du problème : les caractéristiques des galaxies typiques de l’Univers proche et lointain ; les vents galactiques ; la mort des galaxies; les trous noirs supermassifs actifs (noyaux actifs de galaxies, AGN) et les étoiles ; et leur rétroaction. Dans le Chapitre 2, je présente les techniques numériques utilisées : le code de simulations astrophysiques RAMSES et le code de transfert radiatif Cloudy, que j’ai utilisé pour développer une méthode de calcul de l’état d’ionisation d’une galaxie, détaillée au Chapitre 3. Le Chapitre 4 étudie le couplage entre les trous noirs actifs et les étoiles, avec le projet POGO, Origines Physiques des Vents Galactiques. Durant cette thèse, j’ai montré que les trous noirs actifs n’étaient pas en mesure de tuer subitement leur hôte, même en prenant en compte la rétroaction des étoiles, et que leur couplage peut réduire ou renforcer les vents dans les galaxies en fonction de leur masse. Le Chapitre 5 fait un état de l’art du domaine avant et pendant mon doctorat, reprend les conclusions de cette thèse et donne quelques perspectives, notamment en ce qui concerne le rôle additionnel des rayons cosmiques dans la mort des galaxies / In the Universe, we observe galaxies forming no, or almost no, stars anymore, but astrophysicists do not know yet what physical mechanisms cause their “death”. To give clues to solve the problem, I studied feedback processes from stars and active supermassive black holes, star formation and galactic outflows. Chapter 1 presents all the notions to understand the problem: the characteristics of typical galaxies in the local and distant Universe, galactic outflows, galaxy death, active supermassive black holes, stars, and their feedback processes. In Chapter 2, I describe the numerical techniques I used: the simulation code RAMSES, and the radiative transfer code Cloudy, which I used to develop a computation method to get the ionization state of an entire galaxy. This method is presented in Chapter 3. Chapter 4 studies the coupling between the feedback processes of active supermassive black holes and stars, with the POGO project, Physical Origins of Galactic Outflows. During this thesis, I showed that typical active supermassive black hole cannot suddenly kill their host, even when stellar feedback processes are accounted for, and that their coupling either reduces or enhances the mass outflow rate depending on the mass of the host. In Chapter 5, I give a state-of-the-art about active supermassive black holes before and during my thesis, sum up the conclusions of the work, and give perspectives to enlarge the scope of the study, especially regarding the additional role of cosmic rays in the death of galaxies

Les modèles et les observations actuels de l’Univers sont en accords aux grandes échelles. Néanmoins, cela ne permet pas d’expliquer la formation des structures baryoniques dans l’Univers. Afin de contraindre la formation des structures dans l’Univers, des observations sont nécessaires à différents redshifts pour observer les structures à différentes étapes d’évolutions. Le satellite Planck donne accès à des objets dont les redshifts sont compris entre z=2 et z=4. Ainsi environ 1200 objets extragalactiques susceptibles d’être à haut redshift sont détectés dans 26% du ciel, autour des pôles galactiques. Un sous échantillon de 228 sources est observé à plus grande sensibilité et résolution angulaire avec le satellite Herschel. Grâce à ces observations je peux résoudre les sources ponctuelles de Planck en plusieurs sources Herschel. J’identifie alors trois possibilités de type de sources, soit c’est une candidate de source amplifiée par lentillage gravitationnel, soit c’est un candidat d’amas de galaxies à haut redshift, soit c’est un alignement de sources fortuit le long de la ligne de visé. Après analyse, j’ai identifié dans cet échantillon 11 sources amplifiées par lentillage gravitationnel parmi les plus brillantes du ciel sub-millimétrique. Ces sources ont des redshifts compris entre z=2.2 et z=3.6 (Canameras et al., 2015) et permettent de sonder la formation stellaire dans l’Univers lointain. Il reste 217 surdensités de sources que j’ai étudié. En utilisant la couleur des sources Herschel, j’ai calculé une estimation de la densité des sources. 50% des champs Herschel de l’échantillon on une surdensité supérieur à 10sigma lorsque l’on sélectionne les sources rouges (S250/S350 < 1.4 et S500/S350 > 0.6). Cela montre que l’échantillon est principalement composé de surdensité de source rouge. En ajustant un corps noir modifié à 35K sur les données photométrique Herschel-SPIRE je montre que la distribution de redshift photométrique des sources piquent à z=2. Notre échantillon se compose donc de 11 sources lentillées et 217 potentiels amas de galaxies à redshift z~2. Ces potentiels amas de galaxies se compose d’en moyenne 9 sources dans 4.5’ de diamètre. Les sources individuelles ont des luminosités infrarouges d’environ 4.1012 Lsol ce qui correspond d’après Bell et al. 2003 à un taux de formation stellaire (SFR) de 700 Msol.yr-1. Cela mène pour les potentielles structures à une luminosité de 4.1013 Msol et un SFR de 7000 Msol.yr-1. Notre échantillon trace donc les structures denses du ciel à fort taux de formation stellaire. Cet échantillon sera donc clé dans la compréhension de la formation des structures et des étoiles à des redshifts autour de z=2. / Actual models and observations of the Universe agreed at large scale. But the formation of baryonic structures remains unknown. To constrain structure formation in the Universe, observatoins are needed at different redshift to see different evolution steps. Planck satellite gives an acces to objetcs in the redshift range z=2 to z=4. Thus we detect about 1200 extragalactic objects in 26% of the sky near galactic poles, candidates to be at high redshift. A sample of 228 sources is observed at higher sensibility and resolution than Planck with Herschel satellite. This lead to resolve ponctual Planck sources in several Herschel sources. So I identify three possible types of object : candidates sources of gravitationally amplified lenses, galaxy cluster candidates and alignement of sources along the line of sight. I find in the sample 11 sources amplified by gravitationnal lensing, some of the brightest of the submillimeter sky. Those have redshift between z=2.2 and z=3.6 (Canameras et al., 2015) and provide a zoom in the stellar formation of the far Universe. It let 217 overdensity of sources that I study. With their colour in Herschel data, I find an estimate of their density. 50% of Herschel fields have an overdensity greater than 10sigma using red sources colour selection (S250/S350 < 1.4 et S500/S350 > 0.6). This show that our ample is mainly composed of red overdensity. Fitting Herschel-SPIRE photometry with a modify black body at 35K, I show that the photmetric redshift distribution of Herschel sources peaks around z=2. Our sample is now composed of 11 lensed sources and 217 galaxy cluster candidates at z~2. These galaxy cluster candidates contain an average of 9 SPIRE sources in 4.5’ diameter beam. Individual sources have a luminosity distribution peaking at 4.1012 Lsun which leads to a star formation rate (SFR) of 700 Msun.yr-1 (Bell et al. 2003). This gives an estimate structure luminosity of 4.1013 Msun and an SFR of 7000 Msun.yr-1 assuming that sources are members of the same structure. Our sample traces dense structure at high star formation rate in the full sky. This sample will be a key in the comprehension of structure formation and star formation at redshift about z=2.

Une fraction non négligeable de l'histoire de la formation stellaire a lieu dans des environnements très affectés par la poussière. Il est donc naturel de se demander si on arrive à bien contraindre cette activité de formation d'étoiles. En effet, une part importante de cette activité pourrait être manquée due à la présence de poussière. C'est dans ce contexte que s'inscrit le travail que je vais présenter.Dans la première partie de ma thèse, j'ai eu pour but de déterminer la fraction de galaxies lumineuses formant des étoiles à haut redshift (i.e. 1.5 1mJy) présentent des couleurs 100/24 et 160/24 plus faibles que les autres sources du champ COSMOS et leur luminosité semble donc provenir majoritairement d'un AGN. Les avancées technologiques et l'exploration des longueurs d'ondes en infra-rouge lointain et en submillimétrique, avec notamment Herschel, SCUBA-2, Alma, JWST, permettront de mieux comprendre la connexion AGN/ flambée de formation stellaire au sein des galaxies jusqu'à des hauts redshifts.

J'ai consacré mon travail de thèse à la recherche de quasars à haut redshift dans le sondage Canada France High-z Quasar Survey in the Near Infrared (CFHQSIR). L'objectif principal de ce programme est de découvrir des quasars de redshift de l'ordre de z $\sim$ 7 dans les champs larges du CFHTLS (CFHTLS Wide) en utilisant des images réalisées dans le proche infrarouge avec la caméra WIRCam installée au foyer du CFHT. J'ai tout d'abord effectué la calibration photométrique de l'ensemble des données de CFHQSIR. J'ai ensuite étudié la qualité des images ainsi que leur propriété de bruit et leur profondeur. J'ai dans un deuxième temps calculé le nombre de quasars qu'il serait possible de détecter avec CFHQSIR et en ai déduit les contraintes envisageables sur la fonction de luminosité des quasars à z $\sim$ 7. J'ai ensuite procédé à l'identification de candidats quasars parmi les dizaines de milliers de sources que comptent les 130 degrés carrés couvert par CFHQSIR. Des observations de suivi photométriques des candidats ont finalement permis de révéler une cinquantaine d’objets, dont une quinzaine a été sélectionnée pour des observations spectroscopiques au Very Large Telescope (VLT). Celles-ci n’ayant, pour la plupart, pas encore été realisées, la nature exacte de ces sources ne pourra être connue que dans les prochains mois. Pour finir, la dernière partie de ma thèse s’est focalisée sur l’étude de modèles statistiques bayésiens afin de compléter ma méthode de sélection de candidats quasars. Cette étude m'a finalement permis de vérifier que la majorité des objets retenus pour des observations spectroscopiques étaient effectivement les candidats les plus probables. / My PhD work is focused on the search for high-redshift quasars in the Canada France High-z Quasar Survey in the Near Infrared (CFHQSIR). The main scientific objective of this CFHT Large Program is to search for quasars at redshift z $\sim$ 7 with near-infrared images of the CFHTLS Wide fields acquired with the CFHT WIRCam camera. Firstly, I carried out the photometric calibration of the CFHQSIR images. I performed a detailed analysis of the CFHQSIR data by studying their quality, as well as their noise properties and their depths.Secondly, I computed the number of high-redshift quasars that could be detected with CFHQSIR and the corresponding constraints which could be put on the z $\sim$ 7 quasar luminosity function. Then, I proceeded to the identification of quasar candidates among the many thousands of sources in the 130 square degrees covered by CFHQSIR. Photometric follow-up observations of the candidates revealed about fifty objects, of which fifteen were chosen to be spectroscopically observed with the Very Large Telescope (VLT). Given that this spectroscopic follow-up is not yet completed, the exact nature of these sources will only be known in the coming months. To finish, I applied Bayesian model comparison to my sample in order to complete and consolidate my selection procedure. My candidates were finally classified according to their probability to be a high-redshift quasar. I verified that the majority of the most likely candidates were selected for spectroscopic observations.

Les observations montrent qu'il y a dix milliards d'années, les galaxies formaient bien plus d'étoiles qu'aujourd'hui. Comme les étoiles se forment à partir de gaz moléculaire froid, cela signifie que les galaxies disposaient alors d'importants réservoirs de gaz, et c'est ce qui est observé. Mais les processus de formation d'étoiles pourraient aussi avoir été plus efficaces : qu'en est-il ? Les étoiles se forment dans des nuages moléculaires géants liés par leur propre gravité, mais les toutes premières étapes de leur formation demeurent relativement mal connues. Les nuages moléculaires sont eux-mêmes fragmentés en différentes structures, et certains scénarios suggèrent que les filaments interstellaires qui y sont observés aient pu constituer la première étape de la formation des coeurs denses dans lesquels se forment les étoiles. En quelle mesure leur géométrie filamentaire affecte-t-elle les coeurs pré-stellaires ? Des phenomènes de rétroaction liés à l'évolution des étoiles, comme les vents stellaires et les explosions de supernovae, participent à la régulation de la formation d'étoiles et peuvent aussi perturber la distribution de matière noire supposée entourer les galaxies. Cette thèse aborde l'évolution des galaxies et la formation des étoiles suivant trois perspectives : (i) la caractérisation des processus de formation d'étoiles à des échelles sous-galactiques au moment de leur pic de formation ; (ii) la formation des coeurs pré-stellaires dans les structures filamentaires du milieu interstellaire ; et (iii) les effets rétroactifs de la formation et de l'évolution des étoiles sur la distribution de matière noire des galaxies. / Observations show that ten billion years ago, galaxies formed their stars at rates up to twenty times higher than now. As stars are formed from cold molecular gas, a high star formation rate means a significant gas supply, and galaxies near the peak epoch of star formation are indeed much more gas-rich than nearby galaxies. Is the decline of the star formation rate mostly driven by the diminishing cold gas reservoir, or are the star formation processes also qualitatively different earlier in the history of the Universe? Ten billion years ago, young galaxies were clumpy and prone to violent gravitational instabilities, which may have contributed to their high star formation rate. Stars indeed form within giant, gravitationally-bound molecular clouds. But the earliest phases of star formation are still poorly understood. Some scenarii suggest the importance of interstellar filamentary structures as a first step towards core and star formation. How would their filamentary geometry affect pre-stellar cores? Feedback mechanisms related to stellar evolution also play an important role in regulating star formation, for example through powerful stellar winds and supernovae explosions which expel some of the gas and can even disturb the dark matter distribution in which each galaxy is assumed to be embedded. This PhD work focuses on three perspectives: (i) star formation near the peak epoch of star formation as seen from observations at sub-galactic scales; (ii) the formation of pre-stellar cores within the filamentary structures of the interstellar medium; and (iii) the effect of feedback processes resulting from star formation and evolution on the dark matter distribution.

Nous étudions la formation d’étoiles et d’amas d’étoiles dans les galaxies dominées par le gaz. Ce terme réfère en premier lieu aux galaxies de l’époque du pic de formation d’étoiles dans l’histoire de l’Univers, qui s’est déroulé vers z ~ 2, mais aussi à leurs analogues locaux, les galaxies naines de marées. En premier lieu, en utilisant des simulations numériques, nous montrons que les galaxies massives typiques de z=2, avec une fraction de gaz d’environ 50%, forment des structures gazeuses massives (10**7-8 masses solaires) et liées gravitationnellement, appelées grumeaux dans la suite. Ces grumeaux ne se forment dans des galaxies avec une fraction de gaz inférieure à 25%. Nous présentons ensuite une étude observationnelle d’un analogue local de grumeaux de galaxies à z=2, la galaxie naine de marée NGC 5291N. Une analyse des raies d’émission de cette galaxie montre la présence de chocs sur les pourtours de l’objet. La photométrie des amas d’étoiles de cette galaxie montre que les amas les plus jeunes (< 10 millions d’années) sont significativement moins massifs que les amas plus âgés. Ceci peut être le signe de fusions progressives d’amas et/ou d’une forte activité de formation stellaire dans ce système il y a environ 500 millions d’années.Dans un second lieu nous étudions comment la fraction de gaz influe sur la formation d’étoiles et d’amas stellaires dans des fusions de galaxies à z=2. En utilisant des simulations numériques nous montrons que ces fusions n’augmentent que relativement peu le taux de formation d’étoiles et d’amas stellaires comparativement aux fusions de galaxies locales, à faible fraction de gaz. Nous montrons que ceci est due à une saturation de plusieurs facteurs physiques, qui sont déjà présents naturellement dans les galaxies isolées à z=2 et sont donc comparativement peu accentués par les fusions. Il s’agit de la turbulence du gaz, des zones de champ de marée compressif et des flux de matières vers le noyau de la galaxie. Nous montrons aussi que les structures stellaires formées au sein des grumeaux de gaz sont préservées par la fusion : elles sont éjectées des disques et orbitent dans le halo de la galaxie résultante de la fusion, où elles peuvent devenir les progéniteurs de certains amas globulaires / We study the formation of stars and stellar clusters in gas-dominated galaxies. This term primarily refers to galaxies from the epoch of the peak of the cosmic star formation history, which occurred at z ~ 2, but also to their local analogues, the tidal dwarf galaxies.Firstly, using numerical simulations, we show that the massive galaxies at z = 2, which have a gas fraction of about 50%, form massive (10**7-8 solar masses) and gravitationally bound structures, which we call clumps thereafter. These clumps do not form in galaxies with a gas fraction below 25%. We then present an observational study of a local analogue of a z = 2 galactic clump, which is the tidal dwarf galaxy NGC 5291N. The analysis of emission lines show the presence of shocks on the outskirts of the object. Photometry of this galaxy’s stellar clusters show that the youngest clusters (< 10 million years) are significantly less massive than older clusters. This could be the sign of ongoing cluster mergers and/or of a strong star formation activity in this system about 500 million years ago).Secondly, we study how the gas fraction impacts the formation of stars and stellar clusters in galaxy mergers at z = 2. Using numerical simulations we show that these mergers only slightly increase the star and stellar cluster formation rate, compared to local galaxy mergers, which have a lower gas fraction. We show that this is due to the saturation of several physical quantities, which are already strong in isolated z=2 galaxies and are thus less enhanced by the merger. These factors are gas turbulence, compressive tides and nuclear gas inflows, We also show that the stellar structures formed in the gaseous clumps are preserved by the fusion: they are ejected from the disk and orbit in the halo of the remnant galaxy, where they may become the progenitors of some globular clusters