Ce travail de thèse se sépare en deux volets. Le premier volet concerne l'étude de l'homogénéité de l'univers, et le second une mesure de l'échelle BAO, qui constitue une règle standard permettant de mesurer l'évolution du taux d'expansion de l'univers. Ces deux analyses reposent sur l'étude de la structuration (ou clustering) des quasars des relevés BOSS et eBOSS, qui couvrent la gamme en redshift 0,9 < z < 2,8. Les mesures des observables caractérisant la structuration de l'univers aux grandes échelles sont très sensibles aux effets systématiques, nous avons donc étudiés ces effets en profondeur. Nous avons mis en évidence que les sélections de cibles quasars BOSS et eBOSS ne sont pas parfaitement homogènes, et corrigé cet effet. Au final, la mesure de la fonction de corrélation des quasars nous a permis de mesurer le biais des quasars sur la gamme en redshift 0,9 < z < 2,8. Nous obtenons la mesure actuelle la plus précise du biais, b = 3,85 ± 0,11 dans la gamme 2,2 < z < 2,8 pour le relevé BOSS, et b = 2,44 ± 0,04 dans la gamme 0,9 < z < 2,2 pour le relevé eBOSS. Le Principe Cosmologique stipule que notre univers est isotrope et homogène à grande échelle. Il s'agit d'un des postulats de base de la cosmologie moderne. En étudiant la structuration à très grande échelle des quasars, nous avons prouvé l'isotropie spatiale de l'univers dans la gamme 0,9 < z < 2,8, indépendamment de toute hypothèse et cosmologie fiducielle. L'isotropie spatiale stipule que l'univers est isotrope dans chaque couche de redshift. En la combinant au principe de Copernic, qui stipule que nous ne nous situons pas à une position particulière dans l'univers, permet de prouver que notre univers est homogène aux grandes échelles. Nous avons effectué une mesure de la dimension de corrélation fractale de l'univers, D₂(r), en utilisant un nouvel estimateur, inspiré de l'estimateur de Landy-Szalay pour la fonction de corrélation. En corrigeant notre estimateur du biais des quasars, nous avons mesuré (3 - D₂(r)) = (6,0 ± 2,1) x 10⁻⁵ entre 250 h⁻¹ Mpc et 1200 h⁻¹ Mpc pour le relevé eBOSS, dans la gamme 0,9 < z < 2,2. Pour le relevé BOSS, nous obtenons (3 - D₂(r)) = (3,9 ± 2,1) x 10⁻⁵, dans la gamme 2,2 < z < 2,8. De plus, nous montrons que le modèle Lambda-CDM décrit très bien la transition d'un régime structuré vers un régime homogène. D’autre part, nous avons mesuré la position du pic BAO dans les fonctions de corrélation des quasars BOSS et eBOSS, détecté à 2,5 sigma dans les deux relevés. Si nous mesurons le paramètre α, qui correspond au rapport entre la position du pic mesuré et la position prédite par une cosmologie fiducielle (en utilisant les paramètres Planck 2013), nous mesurons α = 1,074 pour le relevé BOSS, et α = 1,009 pour le relevé eBOSS. Ces mesures, combinées uniquement à la mesure locale de H₀, nous permettent de contraindre l'espace des paramètres de modèles au-delà du Lambda-CDM. / This work consists in two parts. The first one is a study of cosmic homogeneity, and the second one a measurement of the BAO scale, which provides a standard ruler that allows for a direct measurement of the expansion rate of the universe. These two analyses rely on the study of quasar clustering in the BOSS and eBOSS quasar samples, which cover the redshift range 0.9 < z < 2.8. On large scales, the measurement of statistical observables is very sensitive to systematic effects, so we deeply studied these effects. We found evidences that the target selections of BOSS and eBOSS quasars are not perfectly homogeneous, and we have corrected this effect. The measurement of the quasar correlation function provides the quasar bias in the redshift range 0.9 < z < 2.8. We obtain the most precise measurement of the quasar bias at high redshift, b = 3.85 ± 0.11, in the range 2.2 < z < 2.8 for the BOSS survey, and b = 2.44 ± 0.04 in the range 0.9 < z < 2.2 for the eBOSS survey. The Cosmological Principle states that the universe is homogeneous and isotropic on large scales. It is one of the basic assumptions of modern cosmology. By studying quasar clustering on large scales, we have proved ''spatial isotropy'', i.e. the fact that the universe is isotropic in each redshift bins. This has been done in the range 0.9 < z < 2.8 without any assumption or fiducial cosmology. If we combine spatial isotropy with the Copernican Principle, which states that we do not occupy a peculiar place in the universe, it is proved that the universe is homogeneous on large scales. We provide a measurement of the fractal correlation dimension of the universe, D₂(r), which is 3 for an homogeneous distribution, and we used a new estimator inspired from the Landy-Szalay estimator for the correlation function. If we correct our measurement for quasar bias, we obtain (3 - D₂(r)) = (6.0 ± 2.1) x 10⁻⁵ between 250 h⁻¹ Mpc and 1200 h⁻¹ Mpc for eBOSS, in the range 0.9 < z < 2.2. For BOSS, we obtain (3 - D₂(r)) = (3.9 ± 2.1) x 10⁻⁵, in the range 2.2 < z < 2.8. Moreover, we have shown that the Lambda-CDM model provide a very nice description of the transition from structures to homogeneity. We have also measured the position of the BAO peak in the BOSS and eBOSS quasar correlation functions, which yield a 2,5 sigma detection in both surveys. If we measure the α parameter, which corresponds to the ratio of the measured position of the peak to the predicted position in a fiducial cosmology (here Planck 2013), we measure α = 1.074 for BOSS, and α = 1.009 for eBOSS. These measurements, combined only with the local measurement of H₀, allows for constraints in parameter space for models beyond Lambda-CDM.

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La thématique principale de mon travail de thèse est l’é;volution et la formation structures en fonction du décalage vers le rouge (redshift par la suite).Mon travail de thèse se divise en deux parties distinctes, qui finalement se regroupent au cours de mes derniers travaux. Dans un premier temps, j’ai étudié l’évolution du Fond Diffus Infrarouge (Cosmic Infrared Background, CIB par la suite) en fonction du redshift à 70 et 160 µm en utilisant des données provenant du satellite Spitzer. J’ai effectué ce travail dans les champs GOODS & COSMOS en appliquant la méthode d’empilement (stacking, par la suite). Dans un second temps, j’ai étudié la distribution de masse dans des amas de galaxies situé à grand redshift en utilisant le lentillage gravitationnel faible. Pour ce faire, j’ai utilisé des données optiques provenant du satellite spatial Hubble (Hubble Space Telescope, HST par la suite). Ces données proviennent du relevé d’amas MACS (MAssive Cluster Survey). Les amas de galaxies étudiés ici font partis d’un sous-échantillon MACS, l’échantillon "grand-z" (high-z subsample). Comprendre l’état d’évolution des amas de galaxies à grand redshift permettrait de mettre des contraintes sur les modèles de formation et d’évolution des structures. La compréhension du cycle d’évolution des amas de galaxies est l’un des enjeux majeurs de la Cosmologie observationnelle actuelle. / The principal thematic of my thesis work is the evolution and the formation of structures as a function of the redshift.My thesis analysis can be separated un two distinct parts, which can finally be merged in a third part with my last works.Firstly, I studied the evolution of the Cosmic Infrared Background (CIB) as a function of redshift at 70 and 160 µm using data from the Spitzer Space Telescope. This analysis was performed in the GOODS & COSMOS fields by applying a stacking method.Secondly, I studied the mass distribtuion in massive galaxy clusters at high redshifts by using the gravitational lensign effect.I used optical data coming from the Hubble Space Telescope. The sample of galaxy clusters I used comes from a subsample of the MAssive Cluster Survey (MACS, PI:E. Ebeling) named the "high-z" sample, and which comprises 12 clusters.Understanding the state of evolution of galaxy clusters at high redshift wil allow us to put constraints on formation and evolution models of structures. The understanding of the evolution cycle of galaxy clusters is mandatory in terms of Observational Cosmology.

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On s'intéressera, dans ce mémoire, à certains aspects phénoménologiques de l'évolution des grandes structures de l'univers, dans le cadre des modèles inflationnaires. La relativité générale prédit que le trajet des rayons lumineux est perturbé par les puits de potentiels gravitationnels ; on appelle ce phénomène, effet de lentille gravitationnelle. On donnera une description très précise de cet effet sur la lumière du rayonnement de fond micro-onde, les anisotropies de sa température et sa polarisation. Pour ce faire, après avoir exposé les grandes lignes du modèle, on rappellera comment se calculent les anisotropies de température et la polarisation ainsi que les propriétés de l'évolution des grandes structures. Le calcul de l'effet de lentille gravitationnelle sera aussi rappelé en détail. On sera ainsi en mesure d'étudier l'effet de lentille gravitationnelle sur le rayonnement de fond dans deux régimes : celui fort, dans le cas d'un effet induit par une corde cosmique, et celui faible où les sources sont les grandes structures de l'univers. On montrera, dans ce dernier cas, que température et polarisation du rayonnement de fond portent des informations sur l'histoire des grandes structures entre aujourd'hui et son époque d'émission. On exposera et l'on caractérisera une technique particulièrement prometteuse visant à extraire cette information, et qui consiste à comparer rayonnement de fond et relevés de forme des champs galactiques d'arrière plan. On étudiera aussi les enseignement que peuvent apporter ce genre d'observables sur le modèle cosmologique. Enfin, on s'attardera sur une classe de modèles exotiques dans laquelle la constante cosmique est remplacée par une composante nouvelle, la quintessence. On étudiera l'évolution des grandes structures dans ces modèles et on en tirera les conséquences phénoménologiques sur l'effet de lentille gravitationnelle.

Cette thèse est consacrée à la recherche d'empreintes spécifiques relatives à la nature de l'Énergie Noire dans les processus d'effondrements gravitationnels linéaire et non-linéaire au travers de développements théoriques et numériques. Ainsi, plusieurs aspects de la cosmologie ont été abordés: tout d'abord, afin d'étudier l'influence de nombreuses formes complexes d'Énergie Noire sur la structuration, le développement de la théorie des perturbations dans un formalisme covariant a permis d'étendre les équations classiques de Sasaki-Mukhanov aux cas de champs scalaires couplés et en présence de multiples fluides cosmologiques. Ces travaux permettent de décrire l'évolution des perturbations linéaires de modèles d'Énergie Noire complexes en minimisant le nombre de degrés de liberté. Ces dernières années ont vu le nombre et la qualité des observations augmenter de manière vertigineuse, tant sur la distribution de la matière dans l'Univers que sur le champ de déplacement de celle-ci. En particulier, ces observations ont permis de mettre en évidence un champ de vitesse local anormalement élevé par rapport à la prédiction du modèle standard $\Lambda$CDM. L'explication de cet excès des champs de vitesse à des échelles intermédiaires constitue l'apport principal de ces travaux de recherche: en réinterprétant les mesures anormales de champs de vitesse de Watkins et al. sur des distances intermédiaires (50 Mpc/h) en termes d'événement rare dans le cadre de la théorie linéaire, nous avons proposé une nouvelle sonde cosmologique consistant à mesurer l'échelle à laquelle le flot moyen rejoint en amplitude ce que l'on attend en théorie linéaire. Nous montrons la sensibilité de cette nouvelle sonde cosmologique dans trois modèles d'Énergie Noire concurrentiels. Ces résultats, développés par des méthodes analytiques, sont comparés à des mesures effectuées sur des simulations numériques hautes performances auxquelles nous avons pris une part importante. Dans un second temps, à partir de ces simulations numériques, nous montrons que l'origine dynamique d'un tel mouvement d'ensemble local résulte d'une asymétrie de la distribution de matière à plus grande échelle (80 Mpc/h). Cette asymétrie est mise en évidence grâce à l'introduction d'un estimateur original du champ de matière quantifiant l'écart à la symétrie d'un champ. Finalement, nous démontrons que l'arrangement spatial des environnements présentant un champ de vitesse anormal dans l'Univers est corrélé avec la distribution des pics de densité. Cette corrélation nous indique de manière locale la distribution de structures responsables du mouvement d'ensemble anormalement élevé. Une caractérisation différente de l'Énergie Noire fait appel au champ de densité dans l'Univers. En particulier, nous caractérisons ce champ de densité en terme de fonctions de corrélation et étudierons les effets des champs de vitesse sur ceux-ci au travers des distorsions dans l'espace des redshifts. Nous présentons donc plusieurs résultats prometteurs à partir des fonctions de corrélation issues des simulations Dark Energy Universe Simulation (DEUSS) pour trois modèles concurrentiels d'Énergie Noire, en distinguant espace comobile et espace des redshift d'une part et corrélation suivant la masse des halos d'autre part. Deux aspects seront particulièrement abordées dans ce travail. Tout d'abord, nous soulignons l'impact de ces mesures sur le biais en cosmologie: ils permettront donc de déduire de nombreux résultats sur la dépendance de ce dernier sur le modèle cosmologique et le redshift. Dans un second temps, ces mesures permettent de montrer que l'empreinte de l'Énergie Noire sur le régime non-linéaire de formation des structures dans l'Univers, déjà mise en évidence sur les champs continus de matière, demeure lorsque l'on mesure la fonction de corrélation à partir des traceurs du champs, à savoir les halos de matière noire. Finalement, cette thèse a vu la réalisation des simulations DEUS: Full Universe Runs, première modélisation de tout l'Univers observable, du Big Bang jusqu'à aujourd'hui. Cette série de modélisations ayant demandé de nombreuses optimisations des codes cosmologiques existants, a permis de mettre en évidence quelques résultats marquants, faisant appel à la statistique inégalée de cette nouvelle série de simulations. Les méthodes numériques permettant le suivi dynamique de l'effondrement gravitationnel et la détection de structures ainsi que les efforts d'optimisations menés durant cette thèse sont présentés dans une partie numérique en fin de thèse.