Des positrons s'annihilent dans les régions centrales de notre Galaxie. Ce fait est établi depuis la détection d'une forte émission de la raie à 511 keV en direction du centre Galactique. Cette raie gamma est émise lors de l'annihilation de positrons avec des électrons. Grâce à SPI, le spectro-imageur de l'observatoire spatial INTEGRAL, nous pouvons maintenant caractériser précisément cette raie d'émission. <br />Cette thèse présente une étude de l'émission d'annihilation des positrons basée sur la modélisation des interactions entre les positrons et les différentes composantes du milieu interstellaire. Les modèles présentés s'appuient sur les récents développements de nos connaissances des caractéristiques du milieu interstellaire dans les régions centrales de la Galaxie, où la majorité des positrons semblent s'annihiler, et la physique des positrons (production, propagation, annihilation). Afin d'obtenir des contraintes sur les sources des positrons et les sites d'annihilation, les résultats des modèles sont comparés aux données fournies par SPI.

Les galaxies sont des systèmes complexes où la dynamique et l'évolution chimique sont intimement liées. Afin d'étudier la formation et l'évolution des galaxies, nous avons développé un nouveau code chemodynamique nous permettant de traiter simultanément et de manière cohérente la dynamique et l'évolution chimique. Notre code décrit le milieu interstellaire et les principaux processus physiques y prennant place. La formation et l'évolution stellaire sont traitées selon un schéma de recyclage non-instantané. Une des originalités du code réside dans le suivi des abondances individuelles de plusieurs éléments chimiques. Celui-ci permet le calcul du refroidissement du gaz conformément à sa composition chimique, l'étude de l'évolution de celle-ci et des gradients d'abondances, aussi bien spatialement que temporellement.<br /><br />Les premiers tests effectués montrent l'importance du suivi des abondances individuelles des éléments, car celles-ci influent sur le refroidissement du gaz et par conséquent sur l'historique de formation stellaire et de l'enrichissement chimique. Notre description à deux phases du milieu interstellaire nous permet de reproduire trois milieux distincts en accord avec les observations. La pente de la fonction de masse initiale des amas stellaires est semblable à celle observée. Finalement, grâce à ce nouveau code chemodynamique, nous sommes en mesure d'étudier les différents mécanismes physiques impliqués dans l'évolution des galaxies aussi bien du point de vue dynamique que chimique.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

La dernière génération de récepteurs radio, dotés à la fois d'une grande bande passante et d'une haute résolution, fait de toute observation radio-astronomique une étude spectroscopique. Dans le cas de l'imagerie à grand champ du milieu interstellaire, une telle abondance de données fournit de nouveaux outils de diagnostic, mais pose aussi de nouveaux défis en termes de traitement et d'analyse des données. L'objectif du projet ORION-B est d'observer 5 degrés carrés du nuage moléculaire OB, soit près de la moitité de la surface du nuage, dans toute la bande à 3mm. L'émission de dizaines de traceurs moléculaires à été cartographiée, ce qui inclut CO et ses isotopologues, HCO, HCN, HNC, N$_2$H$^+$, le méthanol, SO, CN...L'accès à des cartes résolues spatialement pour de nombreuse espèces chimiques nous permet d'identifier les meilleurs traceurs de la densité du gaz et de son illumination. Ces cartes ont aussi été soumises à des méthodes d'apprentissage automatique, afin de segmenter le nuage moléculaire en régions caractérisées par une émission moléculaire similaire, et de quantifier les corrélations les plus importantes entre différents traceurs moléculaires, et entre les traceurs et des quantités physiques telles que la densité ou la température des poussières.La grande surface observée, combinée à une haute résolution spatiale et spectrale, permet aussi de caractériser statistiquement la cinématique et la dynamique du gaz. La fraction de quantité de mouvement dans les modes compressifs et solénoïdaux (rotationels) de la turbulence peut être calculée, ce qui montre que le nuage est dominé par des mouvements solenoidaux, tandis que les mouvements compressifs sont concentrés dans deux régions de formation stellaire. Ce résultat est cohérent avec l a très faible efficacité de formation stellaire de ce nuage, et souligne l'importance du forçage compressif pour la formation des étoiles.Les nombreux filaments identifiés dans ce nuage moléculaire ont par ailleurs des densités relativement faibles, et sont très stables vis à vis de l'effondrement gravitationnel. La plupart des filaments sont dépourvus d'étoiles jeunes, mais ils montrent des signes de fragmentation radiale et longitudinale, ce qui indique que de la formation stellaire pourrait à l'avenir y avoir lieu. / The new generation of wide-bandwidth high-resolution receivers turns almost any radio observation into a spectral survey. In the case of wide-field imaging of the interstellar medium, such a wealth of data provides new diagnostic tools, but also poses new challenges in terms of data processing and analysis. The ORION-B project aims at observing 5 square degrees of the OB molecular cloud, or about half of the cloud's surface, over the entire 3mm band. The emission of tens of molecular tracers has been mapped, including CO isotopologues, HCO, HCN, HNC, N$_2$H$^+$, methanol, SO, CN...Having access to spatially resolved maps from many molecular species enables us to identify the best tracers of the gas density and illumination. Machine learning techniques have also been applied to these maps, in order to segment the molecular cloud into typical regions based on their molecular emission, and to quantify the most meaningful correlations of different molecular tracers with each other and with physical quantities such as density or dust temperature.The wide-field coverage, together with the spatial and spectral resolution, also allows to characterize statistically the kinematics and dynamics of the gas. The amount of momentum in the compressive and solenoidal (rotational) modes of turbulence are retrieved, showing that the cloud is dominated by solenoidal motions, with the compressive modes being concentrated in two star-forming regions. This result is in line with the overall very low star formation efficiency of the cloud, and highlights the role of compressive forcing in the star formation process.The numerous filaments identified in the molecular cloud also prove to have rather low densities, and are very stable against gravitational collapse. Most filaments are starless, but they show signs of longitudinal and radial fragmentation, which indicates that star formation might occur later on.

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.

Les distributions spectrales d'énérgie des galaxies en ultraviolet, optique et infrarouge nous donnent des pistes sur le rayonnnement produit par les populations stellaires et l'effet du gaz et de la poussière du milieu interstellaire sur ce rayonnement. Des études d'interpretation spectrale sont donc déterminantes pour comprendre la formation et l'évolution des galaxies. Observationellement, des données en ultraviolet, optique et infrarouge deviennent disponibles pour des grands échantillons de galaxies. Jusqu'à présent, ces études se sont concentrées principalement sur la population locale de galaxies, mais de futurs relevés plus profonds apporteront des observations de grands échantillons de galaxies a des plus grandes décalages spectrales vers le rouge. Pour extraire des contraintes sur les populations stellaires et le milieu interstellaire des galaxies a partir de ces observations multi- longueur d'ondes, on a besoin de modéliser d'une façon cohérente l'émission par les étoiles, le gaz et les poussières. Cette thèse présente un modèle simple, largement empirique mais avec une motivation physique, qui est déstiné a interpreter systématiquement les observations multi-longueur d'ondes de grands échantillons de galaxies en termes de ses paramètres physiques, comme par exemple le taux de formation d'étoiles, la masse stellaire et le contenu en poussière. Ce modèle est relié a un modèle déjà existant qui permet de calculer l'absorption de la lumière des étoiles par la poussière dans les nuages moleculaires ou sont nées les étoiles et dans le interstellaire environment des galaxies. On calcule la distribution spectrale de l'énergie re-émise par la poussière dans les nuages de formation d'étoiles comme la somme de trois composantes: une composante de hydrocarbures aromatiques polycycliques (PAHs); un continu en infrarouge moyen qui caracterize l'émission par des grains de poussière a des températures dans la gamme 130–250 K; et une composante de grains en équilibre thérmique avec température réglable dans la gamme 30–60 K. Dans le milieu interstellaire environmental, on fixe par simplicité les proportions rélatives de ces trois composantes de façon a réproduire la forme spectrale de l'émission diffuse cirrus de la Voie Lactée, et on inclu une composante de grains froids en équilibre thérmique avec température réglable dans la gamme 15–25 K. Ce modèle est au même temps assez simple et versatile pour permettre d'obtenir de contraintes statistiques sur les taux de formation d'étoiles et contenus en poussière de grands échantillons de galaxies en utilisant une vaste gamme d'observations en ultraviolet, optique et infrarouge. On illustre ce fait en tirant des estimations de ‘vraisemblence mediane' d'une série de parametres physiques qui décrivent le contenu en étoiles et en poussières de galaxies à formation d'étoiles locales provennant de trois échantillons différents. Le modèle réproduit bien les distributions spectrales d'énergie observées de ces galaxies dans toute la gamme de longueur d'onde de l'ultraviolet lointain à l'infrarouge lointain, et les histoires de formation d'étoiles et contenus en poussières sont bien contraints. Une des avantages de ce modèle est la capacité d'étudier le rapport entre des différents parametres physiques des galaxies observées d'une manière quantitative et statistiquement significative. L'analyse des galaxies à formation d'étoiles des échantillons Spitzer Infrared Nearby Galaxy Sample (SINGS) et Spitzer-SDSS-GALEX Spectroscopic Survey (SSGSS) révèle que les couleurs des galaxies en infrarouge moyen et lointain sont fortement corrélées avec le taux de formation d'étoiles spécifique, aussi bien que avec d'autres quantités galactiques reliées a ce parametre, comme par example le rapport entre la luminosité infrarouge des régions de formation d'étoiles et celle du milieu interstellaire environment, les contributions par des PAHs et grains de poussière en équilibre thérmique pour l'émission infrarouge totale, et le rapport entre la masse de poussière et la masse d'étoiles. Ces corrélations fournissent des informations importantes sur le lien entre la formation d'étoiles et les propriétés du millieu interstellaire dans les galaxies. On étudie d'avantage le rapport entre l'activité de formation d'étoiles et le contenu en poussières des galaxies. Pour cela, on rassemble un grand échantillon de 3321 galaxies avec des observations disponibles en ultraviolet (GALEX), optique (SDSS) et infrarouge (IRAS). On trouve que le taux de formation d'étoiles corrèle remarquablement bien avec la masse de poussière des galaxies sur quatre ordres de grandeur en les deux quantités. Cela nous permet de fournir une recette empirique simple pour évaluer la masse totale de poussière des galaxies à partir du taux de formation d'étoiles. On compare nos résultats avec les prédictions de modèles recents de l'évolution chimique des galaxies. On compare aussi les corrélations entre le taux de formation d'étoiles spécifique, le rapport entre la luminosité de poussière et la masse d'étoiles, et le rapport entre la luminosité de poussière et le taux de formation d'étoiles obtenus dans notre analyse avec ceux qui sont prévus par des modernes simulations cosmologiques de formation des galaxies. Le modèle présenté dans cette thèse peut être appliqué simplement pour interpreter les distributions spectrales d'énergie de n'importe quel échantillon de galaxies.

De l'IR au submillimétrique, le spectre du milieu interstellaire (MIS) est dominé par l'émission des grains de poussière interstellaires. Les plus petits d'entre eux, les PAHs, sont en fait de grosses molécules aromatiques polycycliques hydrogénées. Leur présence est attestée par l'observation d'une série de bandes vibrationnelles dans l'IR moyen, caractéristiques de modes de vibration C-C et C-H sur des cycles aromatiques. Etant donnée l'importance des PAHs pour la physique et la chimie du MIS (chauffage du gaz, formation de H2), il est essentiel de trouver d'autres observables pour contraindre leurs propriétés. L'émission micro-onde des grains interstellaires qui sera observée prochainement avec le satellite Planck est de ce point de vue une opportunité. En effet, les efforts faits récemment dans le but de mesurer les fluctuations du fonds diffus cosmologique ont motivé une étude détaillée des émissions Galactiques dans le domaine micro-onde. Un excès d'émission inattendu a été découvert entre 10 et 90 GHz et ne peut être expliqué par aucun des mécanismes d'émission déjà connu dans ce domaine de fréquences. Cet excès, baptisé « émission anormale », s'est révélé être corrélé à l'émission IR des grains interstellaires. L'origine de l'émission anormale pourrait être l'émission dipolaire électrique de PAHs en rotation.<br /> L'objectif central de ma thèse est la compréhension de l'émission des PAHs interstellaires à grande longueur d'onde en vue de mieux contraindre leurs propriétés et de préparer l'analyse des données Planck-Herschel. Mon travail de thèse a consisté en deux parties complémentaires : modélisation de l'émission des PAHs interstellaires de l'IR proche au centimètre, puis confrontation de ce modèle aux observations disponibles dans le but d'obtenir un modèle physique.<br /> La première partie de mon travail de modélisation concerne l'émission rovibrationnelle des PAHs. J'ai adopté une section efficace déduite des observations ISO et Spitzer pour λ ≤ 20 µm. A plus grande longueur d'onde, trois modes vibrationnels ont été ajouté à partir des travaux théoriques de Malloci et al. (2007). Ce modèle permet de reproduire le spectre du milieu diffus et d'une région de photodissociation avec un mélange de PAHs neutres et ionisés. J'ai par ailleurs montré que si l'émission rovibrationnelle des PAHs dans l'IR moyen est proportionnelle à l'intensité du champ de rayonnement, ce n'est plus le cas pour λ ≥ 3 mm. La seconde partie a consisté en la modélisation de l'émission purement rotationnelle des PAHs. J'ai utilisé des propriétés moléculaires réalistes et traité les interactions avec les atomes et les ions du gaz interstellaire. L'excitation et le freinage par émission de photons rotationnels et rovibrationnels ont également été inclus. L'émission rotationnelle en bande large a été estimée pour une large gamme de conditions astrophysiques et de propriétés des grains. J'ai par ailleurs mis en évidence l'indépendance du spectre d'émission rotationnelle par rapport à l'intensité du champ de rayonnement G0 et à la densité du milieu dans lequel les grains se trouvent nH (G0 ≤ 100 et nH ≤ 30 cm-3).<br /> J'ai ensuite confronté les résultats de cette modélisation aux observations disponibles. La première étape a été l'extraction de l'émission anormale des données WMAP, à laquelle j'ai participé. Nous avons pu mettre en évidence l'existence d'une composante anormale forte, non polarisée, à 23 GHz. Elle a été incluse dans le Planck Sky Model. Pour la première fois, nous avons pu montrer que l'émission anormale est bien corrélée avec l'émission des poussières et que cette corrélation est meilleure à 12 µm (caractéristique des PAHs) qu'à 100 µm (caractéristique de grains plus gros). J'ai également montré l'indépendance de l'émission anormale par rapport à l'intensité du champ de rayonnement, une des prédictions du modèle. Les caractéristiques des grains déduites de l'émission anormale sont par ailleurs en accord avec celles déduites de l'émission IR. J'ai également étudié la région moléculaire G159.6-18.5 dans Persée et montré que son spectre d'émission anormale est bien ajusté avec une distribution de tailles bimodale, en accord avec les travaux théoriques de Le Page et al. (2003).

Les poussières sont un acteur important de l'évolution du milieu interstellaire, et plus généralement des galaxies. De nombreux modèles prédisent une destruction importante de ces poussières dans les chocs impulsés par les explosions de supernovæ, Ce constat impose de reformer les poussières dans la phase dense du milieu interstellaire. Dans cette thèse, nous nous intéressons au traitement des poussières dans les chocs MHD se propageant dans les nuages denses, premier pas vers une étude plus générale de l'évolution des poussières dans la phase froide du milieu interstellaire. Nous calculons l'intensité de la destruction des poussières silicatées et carbonées, par érosion et vaporisation, dans des chocs MHD transverses mono-fluides (type J) et multi-fluides (type C) de vitesse inférieure à 50 km/s. Les grains de poussières sont modélisés par des cœurs réfractaires sphériques, homogènes et non poreux, recouverts d'un manteau de glaces. La distribution en taille des poussières résultant de la compétition entre la fragmentation et la coagulation dans ces chocs est également calculée et couplée à la résolution de la dynamique du choc. La distribution de charge hors-équilibre des grains, leur dynamique à travers le choc (compte tenu de leur inertie et des fluctuations de leur charge), et le traitement qu'ils subissent sont intégrés en simultané de la résolution de la chimie, de l'état d'ionisation et de la dynamique du gaz dans le choc. Ce couplage complet, indispensable pour les chocs C, permet d'estimer l'effet rétroactif du traitement des poussières sur la dynamique du choc. Nous présentons la première étude de la destruction des poussières par les chocs J se propageant dans les nuages denses. Quelques résultats préliminaires sur le traitement dans les chocs C soulignent la place particulière qu'occupent les poussières dans ces chocs dont les propriétés rappellent celles des dusty plasmas.

La formation de H2 dans le milieu interstellaire, à partir de deux atomes H, est une question essentielle en astrophysique. Cette réaction exothermique qui a lieu à la surface d'un grain de poussière interstellaire est la première étape d'une suite de réactions primordiales pour la physico-chimie. Dans les nuages diffus et les régions de photodissociation, on invoque pour mécanisme de formation une réaction de catalyse hétérogène Eley Rideal, un des atomes étant chimisorbé. Les grains sont principalement carbonés et constitués notamment de graphite. Les travaux théoriques antérieurs effectués en géométrie réduite n'ont pas permis d'expliquer la formation de H2 dans les états rovibrationnels observés (v<5). Pour prendre en compte les degrés de liberté de tous les atomes, nous avons conçu à partir du potentiel de Brenner, un nouveau potentiel pour modéliser le système graphène-H-H avec lequel nous avons réalisé une étude de dynamique moléculaire classique de la formation de H2. Cette étude a été effectuée pour des énergies de collision d'atomes H incidents de 0.015eV à 0.2eV et pour des surfaces à 0, 10 et 30K. Un des résultats principaux est que la section efficace de réaction est directement reliée à l'allure du potentiel que voit l'atome H incident. De plus, il a été mis en évidence que la distribution rovibrationnelle obtenue en autorisant la relaxation de la surface correspond mieux à celle observée par les astrophysiciens (v < 6), la surface absorbant ~25% de l'énergie disponible. Des travaux étudiant l'influence de la présence d'un atome H supplémentaire sur la surface ou d'une possible structure poreuse des grains, sur la formation de H2, sont présentés en annexe.

La composante hélium neutre du milieu interstellaire local pénètre dans le système solaire où elle est soumise à la gravité (diminuée de la pression de radiation) et à l'ionisation due aux rayonnements solaires. La diffusion résonnante du flux solaire à 58,4 nm par cette composante a été mesurée à bord du satellite PROGNOZ 6 et cartographiée. Le travail présenté dans cette thèse concerne le dépouillement des données satellitaires et l'identification des mesures utilisable. Un modèle physique et mathématique détaillé a été construit pour l'analyse de ces mesures, puis il a été programmé en Fortran. Ce modèle dépends bien entendu des paramètre dynamiques (vitesse, direction, densité, température) du milieu interstellaire, mais également de paramètres solaires dont certains sont mal connus. La dernière phase du travail consiste en l'ajustement des paramètres du modèle pour rendre compte au mieux des observations disponibles. Les valeurs des paramètres et leur degré de validité (sensibilité du modèle) sont alors discutées et comparées aux déterminations existantes.