Les galaxies amplifiées par lentillage gravitationnel fort offrent une opportunité exceptionnelle pour caractériser la formation stellaire intense au sein des galaxies poussiéreuses les plus distantes. Dans les cas les plus favorables, il est possible d'étudier les mécanismes qui régissent la formation stellaire jusqu'aux échelles des régions de formation d'étoiles individuelles. Les alignements fortuits entre ces galaxies actives et des structures d'avant-plan produisant des facteurs d'amplification par lentillage gravitationnel >> 10 restent néanmoins très rares. L'échantillon des Planck's Dusty GEMS (Gravitationally Enhanced subMillimeter Sources), découvert par le relevé de ciel complet du satellite Planck dans le domaine sub-millimétrique, contient onze galaxies à haut décalage spectral extrêmement brillantes. Leurs densités de flux à 350 microns se situent entre 300 et 1000 mJy, au-delà de la plupart des sources lentillées précédemment découvertes par les relevés en infrarouge lointain et sub-millimétrique. Six d'entre elles dépassent la limite en complétude à 90% du catalogue de sources ponctuelles détectées par Planck (PCCS), indiquant qu'elles sont parmi les plus brillantes sources lointaines sélectionnées par leur formation stellaire intense. Cette thèse s'intègre dans le suivi multi-longueur d'onde de cet échantillon exceptionnel, destiné à sonder les propriétés globales des sources d'arrière-plan et à contraindre les configurations de lentillage. Premièrement, j'utilise de l'imagerie et de la spectroscopie en visible et en infrarouge proche et moyen pour caractériser les structures formant la lentille et pour construire des modèles de lentillage gravitationnel complets. J'en déduis que les onze GEMS sont effectivement alignées avec des surdensités de matière en avant-plan, soit des galaxies massives et isolées, soit des groupes ou amas de galaxies. Ces objets amplifiants contiennent des populations d'étoiles évoluées et âgées de plusieurs milliards d'années, indiquant qu'il s'agit de galaxies précoces. De plus, la modélisation détaillée de l'effet de lentillage vers les GEMS suggère que les amplifications atteignent systématiquement des facteurs > 10, et > 20 pour certaines lignes de visée. Deuxièmement, nous observons dans les domaines infrarouge lointain et millimétrique pour caractériser les sources d'arrière-plan. Les données en interférométrie de l'IRAM et du SMA à des résolutions inférieures à la seconde d'arc montrent que les GEMS ont des morphologies très déformées, preuve de fortes distorsions gravitationnelles. J'obtiens des températures de poussières de 33 à 50 K et des luminosités atteignant 2x10^14 luminosités solaires en infrarouge lointain, sans corriger du facteur d'amplification. La relation entre températures de poussières et luminosités infrarouge confirme également que, pour une température donnée, les GEMS sont plus brillantes que les galaxies similaires non lentillées. Je conclus qu'à ces longueurs d'onde, le chauffage des poussières semble être dominé par l'activité de formation stellaire avec une contamination par d'éventuels noyaux actifs systématiquement inférieure à 30%. Nous trouvons des décalages vers le rouge compris entre 2.2 et 3.6 grâce à la détection d'au moins deux raies d'émission du gaz atomique ou moléculaire par source. Finalement, je cible les trois sources lentillées de l'échantillon ayant les propriétés les plus remarquables. En particulier, la plus brillante d'entre elles s'avère être un sursaut présentant des densités de formation stellaire proches de la limite d'Eddington, et permet de sonder la naissance des étoiles dans ses phases les plus extrêmes. / Strongly gravitationally lensed galaxies offer an outstanding opportunity to characterize the most intensely star-forming galaxies in the high-redshift universe. In the most extreme cases, one can probe the mechanisms that underlie the intense star formation on the scales of individual star-forming regions. This requires very fortuitous gravitational lensing configurations offering magnification factors >> 10, which are particularly rare toward the high-redshift dusty star-forming galaxies. The Planck's Dusty GEMS (Gravitationally Enhanced subMillimeter Sources) sample contains eleven of the brightest high-redshift galaxies discovered with the Planck sub-millimeter all-sky survey, with flux densities between 300 and 1000 mJy at 350 microns, factors of a few brighter than the majority of lensed sources previously discovered with other surveys. Six of them are above the 90% completeness limit of the Planck Catalog of Compact Sources (PCCS), suggesting that they are among the brightest high-redshift sources on the sky selected by their active star formation. This thesis comes within the framework of the extensive multi-wavelength follow-up programme designed to determine the overall properties of the high-redshift sources and to probe the lensing configurations. Firstly, to characterize the intervening lensing structures and calculate lensing models, I use optical and near/mid-infrared imaging and spectroscopy. I deduce that our eleven GEMS are aligned with intervening matter overdensities at intermediate redshift, either massive isolated galaxies or galaxy groups and clusters. The foreground sources exhibit evolved stellar populations of a few giga years, characteristic of early-type galaxies. Moreover, the first detailed models of the light deflection toward the GEMS suggest magnification factors systematically > 10, and > 20 for some lines-of-sight. Secondly, we observe the GEMS in the far-infrared and sub-millimeter domains in order to characterize the background sources. The sub-arcsec resolution IRAM and SMA interferometry shows distorded morphologies which definitively confirm that the eleven sources are strongly lensed. I obtain dust temperatures between 33 and 50 K, and outstanding far-infrared luminosities of up to 2x10^14 solar luminosities before correcting for the gravitational magnification. The relationship between dust temperatures and far-infrared luminosities also confirms that the GEMS are brighter than field galaxies at a given dust temperature. I conclude that dust heating seems to be strongly dominated by the star formation activity with an AGN contamination systematically below 30%. We find secure spectroscopic redshifts between 2.2 and 3.6 for the eleven targets thanks to the detection of at least two CO emission lines per source. Finally, I focus on the three gravitationally lensed sources showing the most remarkable properties including the brightest GEMS, a maximal starburst with star formation surface densities near the Eddington limit.

Dans cette thèse sur articles, nous nous intéressons aux grandes structures de l’Univers et à leur rôle fondamental pour la cosmologie et la formation des galaxies. Les galaxies naissent et grandissent au sein des filaments de la toile cosmique soulevant la question de l’impact de ces filaments sur les propriétés galactiques telles que la morphologie. Pour étudier cette question fondamentale, nous allons dans un premier temps montrer que dans les simulations numériques de l’Univers, le spin des galaxies est fortement lié à la direction de leur filament hôte avec un comportement qui dépend de leur masse. Ces corrélations spin-filament seront expliquées qualitativement dans le contexte de la formation hiérarchique des structures cosmologiques. Un modèle analytique tenant compte de l’anisotropie de la toile cosmique complètera ce tableau en reproduisant les corrélations observées. Ces idées sont importantes pour comprendre la morphologie des galaxies mais aussi les alignements intrinsèques qui peuvent certaines sondes cosmologiques basées sur la mesure de l’astigmatisme cosmique. Nous allons en particulier mesurer cette contamination dans une simulation hydrodynamique. Dans la seconde partie de ce manuscrit, nous nous poserons la question de comment extraire efficacement de l’information de la toile cosmique en mesurant sa topologie et sa géométrie et en utilisant la théorie perturbative dans un régime quasi-linéaire, la pierre angulaire de ce travail reposant sur l’étude analytique de l’impact de l’effondrement non-linéaire des structures et des distorsions en espace des redshifts sur la statistique du champ de densité cosmique. / This thesis by publication is devoted to the theoretical understanding of the large-scale structure of the Universe and its role in the context of cosmology and galaxy formation. The birth and evolution of galaxies occur within the large cosmic highways drawn by the cosmic web and the natural question which arises is whether galaxies retain a memory of the large-scale cosmic flows from which they emerge. To address this key question, we will first show that in cosmological simulations, the spin of galaxies and the direction of their host filament are correlated in a mass-dependent way. This signal will be shown to be qualitatively understood in the context of hierarchical structure formation. An analytic model which explicitly takes into account the anisotropy of the cosmic web will complement this qualitative understanding by reproducing the measured correlations. Those ideas are important to understand the evolution of galaxy morphology but also to understand the intrinsic alignments of galaxies that contaminate cosmological probes like cosmic shear experiments. We will in particular measure this contamination directly from a state-of-the-art hydrodynamical simulation. In a second part, we will address the question of how to efficiently use large-scale structure data to probe the cosmological model describing our Universe by measuring its topology and geometry and using perturbation theory in the weakly and even mildly non-linear regime. The major contribution of this work is to analytically study the effect of redshift space distortions and non-linear collapse of structures on the topology, geometry and statistics of the cosmic density field.

Cette thèse s’intéresse aux combinaisons d’observables cosmologiques provenant des mesures du fond diffus cosmologique et des relevés de galaxies, et est basée sur l’exploitation des données du satellite Planck et du Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) du Sloan Digital Sky Survey. On explore l’utilisation de corrélations croisées entre les jeux de données afin de mettre en évidence de nouveaux effets et d’améliorer les contraintes statistiques sur les paramètres cosmologiques. Dans un premier temps, on mesure pour la première fois une corrélation entre le lentillage gravitationnel du fond diffus cosmologique et le spectre de puissance des fluctuations de la forêt Lyman-α des quasars. Cet effet, d’origine purement non-linéaire, est interprété comme la réponse du spectre de puissance à des grandes échelles. Il montre comment les fluctuations dans la densité en hydrogène neutre dans le milieu intergalactique sont influencées par des fluctuations à grande échelle dans la densité de matière noire. Le signal mesuré est compatible avec l’approche théorique et des simulations menées par d’autres groupes. Dans un deuxième temps, on développe un formalisme permettant une analyse conjointe de la densité de galaxies et de quasars de BOSS avec le lentillage gravitationnel du fond diffus cosmologique. La prise en compte des corrélations croisées entre ces sondes permet de diminuer les barres d’erreurs de certains paramètres cosmologiques de 20%, ce qui équivaut à augmenter la surface couverte par les relevés de presque 50%. Cette analyse est complétée par la mesure des anisotropies de température du fond diffus cosmologique afin de contraindre tous les paramètres du modèle standard ΛCDM, ainsi que les biais des galaxies. Puis on étend le modèle afin d’explorer les contraintes sur l’équation d’état de l’énergie noire et la somme des masses des neutrinos / This thesis addresses the combinations of cosmological probes from the measurements of the cosmic microwave background (CMB) and galaxy redshift surveys, and exploits data from the Planck satellite and the Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) of the Sloan Digital Sky Survey. It explores how cross-correlations between different data sets can be used to detect new signals and improve contraints on cosmological parameters. First, we measure, for the first time, the cross-correlation between gravitational lensing of the CMB and the power spectrum of the Lyman-α forest in the spectra of quasars. This effect, which emerges from purely non-linear evolution, is interpreted as the response of the power spectrum to large-scale modes. It shows how fluctuations in the density of neutral hydrogen in the intergalactic medium are affected by large-scale fluctuations in the density of dark matter. The measured signal is compatible with the theoretical approach and simulations run by another group. In a second time, we develop a formalism enabling the joint analysis of the galaxy/quasar density contrast and CMB lensing. Taking cross-correlations between these probes into account reduces error bars on some cosmological parameters by up to 20%, equivalent to an increase in the size of the survey of about 50%. This analysis is completed by CMB temperature anisotropies information in order to constrain all the parameters of the ΛCDM standard model and galaxy biases at once. Finally, it is extended to obtain contraints on the dark energy equation of state as well as the sum of the masses of neutrinos

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.