Depuis 1995 et la découverte de la première exoplanète autour d'une étoile de la séquence principale, de nombreux projets ayant pour objectif la détection de planètes extrasolaires ont été développés. À ce jour, la majorité des planètes ont été découvertes par des méthodes indirectes. En effet, la détection directe est rendue très difficile par le très grand contraste entre l'étoile et la planète ainsi que par la très haute résolution angulaire requise. Une solution à cette problématique est la coronographie. De façon générale, un coronographe est un instrument dont l'objectif est d'atténuer le flux de l'étoile en diminuant la diffraction instrumentale. J'ai étudié ce système pour deux instruments, en l'abordant avec deux angles de vue très différents et complémentaires. J'ai tout d'abord étudié le système coronographique de phase à quatre quadrants de l'instrument MIRI (``Mid-InfraRed Instrument'') sur le télescope JWST (``James Webb Space Telescope''), instrument dont l'un des objectifs principaux est la détection d'exoplanètes de type Jupiter. J'ai, dans un premier temps, participé au travail de recette des coronographes puis je me suis focalisée sur des simulations numériques. J'ai, dans ce cadre, établi la statistique de détection d'exoplanètes pour un échantillon d'étoiles proches. J'ai ensuite évalué les limitations du pointage en mode coronographique puis les spécifications des algorithmes de bord ainsi que les procédures de centrage. Une autre méthode est utilisable pour détecter des exoplanètes sur le JWST : la méthode des transits. Je l'ai étudiée dans le cas particulier d'une Terre primitive, en considérant deux des instruments du JWST. Dans un deuxième volet, je me suis intéressée aux possibilités de détection directe d'exoplanètes telluriques sur les ELTs (``Extremely Large Telescopes'') en utilisant un système coronographique. Le rapport de flux entre la planète et l'étoile est, dans ce cas de $2.10^{-10}$ en proche infrarouge. J'ai étudié, à partir d'une modélisation analytique et numérique détaillée, l'imagerie différentielle simultanée en aval du coronographe; j'ai quantifié l'impact des aberrations statiques et montré que les contraintes imposées sur la qualité des optiques étaient très fortes. Une autre contrainte très forte sur la détection d'exoplanètes est le bruit de photons qui est imposé par le niveau de l'image directe et donc par les résidus liés aux imperfections du front d'onde issu de l'optique adaptative; j'ai donc étudié l'intérêt d'installer un ELT au dôme C où la turbulence est moins importante et donc la correction meilleure. J'ai enfin estimé les limitations supplémentaires apportées par l'utilisation de coronographes réels (donc imparfaits) et par des systèmes de<br />calibration spectrale.

La connaissance des exoplanètes est aujourd'hui une problématique majeure en astronomie. Leur observation directe depuis le sol est cependant rendue extrêmement délicate par le rapport de flux existant entre la planète et son étoile hôte mais également par la turbulence atmosphérique. Ce type d'observation implique donc l'utilisation d'instruments dédiés, alliant un grand télescope, un système d'optique adaptative extrême, un coronographe supprimant physiquement les photons issus de l'étoile,une instrumentation plan focale optimisée (imageur différentiel ou spectrographe à intégrale de champ par exemple), mais également uneméthodologie de traitement de données efficace. Le projet SPHERE regroupe ces différents points et fixe le cadre des études effectuées dans cette thèse. Mon travail de thèse a consisté à développer,mettre en oeuvre et à optimiser différentes méthodes permettant d'assurer une détectivité optimale. Ces méthodes ont porté dans un premier temps sur l'optimisation d'un système d'optique adaptative via la mesure et la compensation des aberrations non-vues. Ces aberrations constituent une des principales limitations actuelles des systèmes d'optique adaptative extrême. La méthode proposée, alliant une amélioration de la technique de diversité de phase et une nouvelle procédure de calibration appelée « pseudo closed-loop » a été validée par simulation et testée sur le banc d'optique adaptative de l'ONERA. Une précision ultime de moins de 0,4nm rms par mode a été démontrée, conduisant à un rapport de Strehl interne sur le banc supérieur à 98.0% à 0,6μm. Dans un deuxième temps, mon travail a consisté à proposer une méthode de traitement d'image a posteriori dans le cadre de l'imagerie différentielle sans coronographe, qui consiste à acquérir simultanément des images à différentes longueurs d'onde. Cette méthode, fondée sur une approche de Maximum A Posteriori, utilise l'information multi-longueur d'onde de l'imageur différentiel, pour estimer conjointement les résidus de turbulence ainsi que les paramètres de l'objet. En plus de l'imagerie différentielle spectrale, l'instrument SPHERE permet d'acquérir des images différentielles angulaires, c'est-à-dire avec rotation de champ. Une méthode fondée sur la théorie de la détection est proposée pour traiter de façon optimale ce type de données. Enfin, dans le contexte de l'imagerie coronographique, j'ai proposé dans un troisième temps un modèle novateur complet de formation d'image d'une longue pose avec coronographe. Ce modèle prend en compte un coronographe parfait, des aberrations statiques en amont et en aval du masque focal, et la fonction de structure de la turbulence après correction par OA. Ce modèle est utilisé dans une méthode d'inversion permettant d'estimer l'objet observé. Ces méthodesà fort potentiel devraient être implantées à terme sur l'instrument SPHERE, et devraient permettre la découverte de nouvelles exoplanètes à l'horizon 2011.

L'étude des systèmes planétaires extrasolaires a considérablement fleuri durant les vingt dernières années, stimulée par la découverte de poussières circumstellaires et de planètes extrasolaires autour d'étoiles de la séquence principale. Cependant, l'imagerie directe de ces systèmes planétaires n'a été jusqu'à présent possible que dans certains cas particuliers à cause de l'important contraste et de la faible distance angulaire entre les étoiles et leur environnement. Même dans ces cas favorables, les régions internes où les planètes rocheuses sont censées se former et où la vie pourrait se développer n'ont pu être étudiées jusqu'ici de par l'absence d'outils appropriés. L'interférométrie infrarouge est une technique très prometteuse dans ce contexte, car elle fournit la résolution angulaire nécessaire pour séparer le rayonnement des étoiles et de leur voisinage immédiat.<br />Le présent travail vise à développer les capacités d'imagerie à haute dynamique des techniques interférométriques pour la caractérisation des systèmes planétaires. Dans un premier temps, nous démontrons que les facilités interférométriques actuelles ont le potentiel de détecter la présence de poussières dans les premières unités astronomiques des disques de débris massifs autour d'étoiles proches. Nos observations de Véga avec le recombinateur infrarouge proche FLUOR installé sur l'interféromètre CHARA révèlent la présence de poussières chaudes responsables d'une émission représentant seulement 1/78ème du rayonnement stellaire en bande K. Dans le but d'étendre l'imagerie des systèmes planétaires à des disques plus ténus et aux planètes extrasolaires, nous étudions ensuite les performances au sol de futurs interféromètres en mode destructif en tenant compte de façon réaliste des effets de l'atmosphère. Nos simulations montrent qu'un instrument installé à l'interféromètre du Very Large Telescope de l'ESO et fonctionnant en mode destructif pourrait détecter des structures circumstellaires aussi faibles que quelques 10^-4 fois le flux stellaire. Finalement, la troisième partie de ce travail se concentre sur l'implémentation de l'interférométrie en mode destructif sur des futures missions spatiales, dans le but de caractériser des planètes extrasolaires aussi petites que la Terre.

The existence of other habitable worlds and the possible development of life elsewhere in the Universe have been among mankinds fundamental questions for thousands of years. These interrogations about our origins and place in the Universe are today at the dawn of being answered in scientific terms. The key year was 1995 with the discovery of the first extrasolar planet orbiting around a solar-type star. About 400 extrasolar planets are known today and the possibility to identify habitable worlds and even life among them largely contributes to the growing interest about their nature and properties. However, characterizing planetary systems is a very difficult task due to both the huge contrast and the small angular separation between the host stars and their environment. New techniques have emerged during the past decades with the purpose of tackling these fantastic observational challenges. In that context, infrared interferometry is a very promising technique, since it provides the required angular resolution to separate the emission of the star from that of its environment. This dissertation is devoted to the characterization of extrasolar planetary systems using the high angular resolution and dynamic range capabilities of infrared interferometric techniques. The first part of the present work is devoted to the detection with current interferometric facilities of warm dust within the first few astronomical units of massive debris discs around nearby stars. In order to extend the imaging of planetary systems to fainter discs and to extrasolar planets, we investigate in a second step the performance of future space-based nulling interferometers and make a comparison with ground-based projects. Finally, the third part of this work is dedicated to the impact of exozodiacal discs on the performance of future life-searching space missions, the goal being to characterize extrasolar planets with sizes down to that of the Earth.