In this thesis I present an investigation into the presence, nature and origin of the thick disk component in late-type galaxies. I use ground-based wide-field observations to study two edge-on low-mass galaxies in the Local Universe: NGC 4244 and NGC 55. The large field-of-view of the ground-based data enables me to inspect the radial and vertical structure of each galaxy. The vertical profiles are studied up to larger distances fromthemid-plane than in any previous study and the presence of a second disk component beyond the thin disk with a larger scale height is revealed for both galaxies. The high-quality data allows me to carry out stellar population and metallicity studies for stars above and below the plane. Furthermore, direct comparisons with two simulated low-mass galaxies provided by the Preston group at the University of Central Lancashire are carried out. By putting the results for NGC 4244 and NGC 55 into context with the thick disk properties from these simulations and from the literature, the most likely thick disk formation scenarios can be pointed out. The bulgeless low-mass systemNGC 4244 lies at a distance of 4.4 Mpc and is studied using V- and I-band wide-field images taken with Suprime-Cam on the Subaru telescope, Hawaii. The extra-planar regions of NGC 4244 show the presence of a large population of Red Giant Branch (RGB) stars and some Asymptotic Giant Branch (AGB) stars. The best strategy to study the presence and structure of a thick disk component is to use the vertical diffuse light profiles in the crowded central regions and RGB star counts in the sparser and sky background dominated outskirts. The profiles show evidence for the presence of a sparsely populated second structural component beyond ∼ 2 kpc above and below the mid-plane. The profiles are fitted with a twodisk model, where each disk is approximated by an isothermal, self-gravitating sheet. A Bayesian model comparison confirms the need for a second disk component in the profile fit. Furthermore, the AGB profiles are inspected and are found to have a lower scale height than the RGB profiles. Metallicity studies of the RGB population in the thick disk component reveal that the metallicity is much lower than the solar metal-licity. Last, the scale length of the thin disk is quantified from the diffuse light radial profiles. At a distance of 1.9 Mpc the Magellanic type low-mass galaxy NGC 55 is studied using V- and I-band images from the VIsible MultiObject Spectrograph (VIMOS) in imaging mode on the Very Large Telescope (VLT, UT3) on Cerro Paranal, Chile. The very central regions of the galaxy are not covered by the VIMOS pointings so I use additional images from the Curtis-Schmidt telescope on Cerro Tololo. As for NGC 4244, I find that the RGB star count profiles extend to larger scale heights than the AGB profiles. The combined diffuse light + RGB profiles show evidence for a very prominent second disk component beyond ∼ 2 kpc above and below the plane. The metallicity studies of the RGB population show, that there is no trend in themetallicity with height above or below the plane. As for NGC 4244 the metallicity is significantly lower than the solar metallicity. Furthermore, the scale length of the thin and thick disk is derived from the radial profiles. The properties of thick disks in galaxies of all masses is studied by compiling the results fromobserved and simulated galaxies in the literature in addition to the results for NGC 4244, NGC 55 and the two simulated low-mass galaxies provided by the Preston group. By studying the similarities, differences and global trends with mass in the thick disk properties it is possible to confront the thick disk formation models. I find that none of the formation scenarios can be ruled out and even a hybrid scenario is possible.

Ce travail de thèse s’inscrit dans le projet à long terme COSFLOS qui a pour but de comprendre l’évolution des structures de l’univers local. Pour cela nous utilisons la relation de Tully-Fisher qui permet de mesurer des distances indépendamment de la loi de Hubble pour des galaxies spirales dans un rayon de 80 Mpc. Mon travail a consisté à collecter, mesurer et analyser les données nécessaires pour cette relation également appelée Luminosity LineWidth (LLW). Cette relation relie la luminosité intrinsèque d’une galaxie à la vitesse maximale de rotation de son gaz neutre. La meilleure façon d’obtenir cette vitesse est de mesurer la largeur de la raie de l’hydrogène neutre (HI) à 21 cm. J’ai effectué de nouvelles observations ainsi que de nouvelles mesures au sein de ce programme, qui aujourd’hui compte 15411 profils HI dans la base de données EDD. J’ai également amélioré l’interface graphique du logiciel de photométrie ARCHANGEL qui nous permet d’obtenir les magnitudes apparentes afin de calculer les distances. Nous verrons que nous avons porté une grande attention sur le calcul du paramètre d’inclinaison de la galaxie observée. Enfin, parmi tous les échantillons en notre possession, j’ai choisi d’étudier plus en détail l’amas de galaxies d’Antlia qui permettra une calibration de la pente de la LLW. Ce travail a commencé par la sélection des candidates, a continué avec les observations puis les mesures et pour se finir sur la détermination des distances nécessaires à la calibration de la relation de Tully-Fisher / This phD thesis is part of the COSFLOS’project. Its goal is to understand the galaxy structure evolution in the local universe. For this purpose, we make use of the Tully-Fisher relation in order to measure the distances for galaxies within 80 Mpc. My research area in the project is to collect, measure and analyze the data needed for the Luminosity LineWidth (LLW). This relation is a direct link between intrinsic luminosity of a spiral galaxy and its maximal gas rotation velocity. The best way to compute this velocity is to measure HI linewidth. Including my new observations and measurements, the current extragalactic database EDD contains 15 411 HI profiles. To obtain the apparent magnitude needed for the distances, I improve the ARCHANGEL software, implementing new displays. We took a great care to a special parameter : the inclination of observed galaxy. Finally, I present the Antlia cluster, one of the cluster I use to calibrate the slope of the LLW. I start with the candidates selection, then with observations to finally obtain the distances for the calibration

Les vitesses particulières de galaxies fournissent des informations importantes sur notre mouvement par rapport aux grandes structures observées et peuvent être utilisées afin de contraindre la distribution de matière noire sous-jacente. En ce basant sur cette approche, la technique des réalisations contraintes permet de calculer des simulations numériques qui ressemblent à l'Univers Local observé. Ceci fourni un laboratoire numérique puissant pour étudier la dynamique, la formation et l' évolution des structures bien connues de l'Univers Local. L' étape cruciale est de générer, à partir des données observationnelles, des conditions initiales appropriées. Nous présentons ici des améliorations de la technique des simulations contraintes, accompagnées d'un code numérique nouvellement développé et hautement optimisé, qui peut ingérer les énormes ensemble de données observationnelles. Les galaxies évoluent à partir du collapse gravitationnel des surdensités primordiales de l'univers très jeune; leurs mouvements créent un champ de déplacement à grande échelle. Une source majeure d'erreurs systématiques dans les simulations contraintes est produite si l'on ne tient pas compte de cet effet. Afin de dépasser cette limitation, nous avons développé la méthode de reconstruction par approximation inverse de Zeldovich (RZA). La RZA permet de reconstruire les déplacements et les positions initiales des galaxies observées et de générer une estimation significativement meilleure des conditions initiales de l'Univers Local. Cette méthode est intensivement testée sur des données de simulations. Nous étudions aussi l'influence de la qualité des données et de diverses erreurs observationnelles et/ou systématiques. Nous démontrons qu'avec la technique RZA, la qualité de la reconstruction des champs de densité et de vitesse est drastiquement améliorée. La position des objets dans les simulations contraintes évoluées sont retrouvées plus précisément et sur un plus grand intervalle de masses / Galaxy peculiar velocities provide valuable information about our motion with respect to theobserved large-scale structure and can be used to constrain the underlying dark matter distribution.Based on this approach, the technique of constrained realisations allows us to run numericalsimulations that resemble the observed Local Universe. This provides a powerful numerical laboratoryto study the dynamics, formation and evolution of structure in the Local Universe. Thecrucial step is to generate appropriate initial conditions from the observational data.We present here improvements on the technique of constrained simulations, along with anewly developed highly optimised numerical code that can handle the upcoming large observationaldatasets. Galaxies evolve from the gravitational collapse of primordial overdensities in theearly Universe; their motion leads to a large-scale displacement field. A major source of systematicerrors in constrained simulations arises by not accounting for this effect. To overcome thislimitation, we develop the Reverse Zeldovich Approximation (RZA) reconstruction method. TheRZA allows to reconstruct displacements and initial positions of observed galaxies and generatea significantly better estimate of the initial conditions of the Local Universe. This method isextensively tested on simulation data. We also study the influence of data quality and variousobservational and systematic errors. We show that with the RZA technique, the reconstructionquality of the density and velocity fields improves significantly. The positions of objects in theevolved constrained simulations are recovered more accurately and over a wider range of masses. / Die Pekuliargeschwindigkeiten von Galaxien liefern wertvolle Informationen über ihre Bewegungrelativ zu den beobachteten großräumigen Strukturen und können verwendet werden, um diezugrundeliegende Verteilung der dunklen Materie abzuschätzen. Auf dieser Grundlage könnenmit der Methode der “Constrained Realisations” numerische Simulationen durchgeführt werden,die die Materieverteilung im Lokalen Universum widerspiegeln und somit leistungsfähige numerischeExperimente ermoeglichen, um die Dynamik, Entstehung und Evolution von Strukturenim lokalen Universum zu untersuchen. Eine wichtige Voraussetzung für diese Experimente ist es,korrekte Anfangsbedingungen aus den Beobachtungsdaten abzuleiten.In dieser Arbeit werden Verbesserungen der “Constrained Simulations”-Technik sowie ein fürdiesen Zweck neu entwickelter, hochgradig optimierter numerischer Code vorgestellt, welcheres ermöglicht, die kommenden, sehr umfangreichen Beobachtungsdaten zu verarbeiten. Galaxienentwickeln sich aus dem Gravitationskollaps von primordialen Überdichten im frühen Universum.Deren Bewegung führt zu einer großräumigen Dislokation, deren Vernachlässigung die größtesystematische Fehlerquelle für “Constrained Simulations” darstellt. An dieser Stelle knüpft dieReverse-Zeldovich-Näherung (RZA) an, die hier vorgestellt wird. Mithilfe der RZA können wirdiese Dislokation abschätzen und somit die ursprünglichen Positionen der beobachteten Galaxienrekonstruieren. Dadurch erhält man wesentlich genauere Anfangsbedingungen fuer die Entwicklungdes Lokalen Universums. Diese Methode wird ausführlich an Simulationsdaten getestet.Der Einfluß der Datenqualität und verschiedener Beobachtungs- und systematischer Fehler wirdeingehend untersucht. Die Rekonstruktionsgenauigkeit der Dichte- und Geschwindigkeitsfelderkann durch den Einsatz der RZA signifikant erhöht werden. In unseren Tests stimmen die Positionenvon Objekten in den mit RZA erzeugten “Constrained Simulations” wesentlich besser mitden ursprünglichen überein, als ohne die RZA, und das für einen deutlich größeren Bereich vonMassen

Les mouvements des galaxies dans l'Univers sont causés par le tir à la corde qui a lieu entre l'expansion de l'univers et la gravitation. Cette rivalité a un impact sur la formation et la croissance des grandes structures de l'univers. Par conséquent, l'univers est plus ou moins compact selon le gagnant de ce duel. Dans ce contexte, cette thèse est divisée en trois parties, allant des observations à 21 cm à la mesure du taux de croissance actuel des grandes structures de l'univers et de la compacité de l'univers local.La collaboration Cosmicflows prépare des catalogues de distances de galaxies. Jusqu'à présent, trois catalogues ont été publiés, le dernier étant Cosmicflows-3. Cette thèse présente et analyse les données obtenues à partir d'observations à 21 cm. Ces nouvelles données seront utilisées pour former le prochain catalogue de distances Cosmicflows-4 à l'aide de la relation de Tully-Fisher, afin de corriger le manque de données dans l'hémisphère céleste Nord dans le catalogue actuel.À partir de la distance d'une galaxie, il est possible d'en déduire la partie radial de sa vitesse particulière, correspondant à la composante de sa vitesse totale causée par la gravitation. Les vitesses particulières des galaxies sont des sondes non-baisées de la matière et permettent d'extraire des informations sur les grandes structures de l'univers. Deux méthodologies utilisant les vitesses particulières ont été développées durant cette thèse pour caractériser les grandes structures de l'univers local.D'une part, les catalogues de vitesses particulières peuvent être utilisés pour reconstruire des champs de vitesse tridimensionnels. De tels champs de vitesse permettent de cartographier la structure de l'univers local et sont exploités dans cette thèse, à l'aide des lignes de flux, pour identifier des bassins et vallées gravitationnels dans l'univers local.D'autre part, une méthode basée sur l'analyse des corrélations à deux points des vitesses particulières des galaxies a été développée afin d'exhiber le taux de croissance actuel des grandes structures de l'univers local à partir de données observationnelles. Cette méthodologie est appliquée au catalogue observationnel de vitesses particulières Cosmicflows-3 / Motions of galaxies in the universe are due to the rivalry between the expansion of the universe and gravitation. This tug-of-war impacts the formation and the growth of large scale structures of the universe. Thus, depending on the identity of the winner of this duel, the universe is more or less compact. Within this context, this PhD thesis is divided into three parts, spanning from HI observations to the estimate of the growth of rate of large scale structures of the universe and the compactness of the local universe.The Cosmicflows collaboration assembles catalogues of galaxy distances. Up to now, three catalogues have been published, the last one being Cosmicflows-3. This thesis presents and analyses observational data obtained from HI observations. These new data will be used to construct the new compilation of distances Cosmicflows-4 by the use of the Tully-Fisher relation, in order to correct the lack of data in the Northern celestial hemisphere in the current catalog.From the distance of a galaxy, one can derive the radial part of its peculiar velocity corresponding to the component of its total velocity caused by gravitation. Peculiar velocities allow to probe the matter content of the universe and to extract information on large scale structures of the universe. Two methodologies using peculiar velocities have been developed during this thesis to characterize large scale structures of the local universe.On the one hand, peculiar velocity catalogues can be used to reconstruct tri-dimensional velocity fields. These velocity field allow one to map the structure of the local universe and are used in this thesis to identify gravitational basins and valleys within the local universe by computing streamlines.On the other hand, a method based on the analysis of two-point galaxy peculiar velocity correlations has been developed in order to constrain the growth rate of large scale structures of the local universe from observational data. This method is applied to the Cosmicflows-3 catalogue of observed peculiar velocities

Les galaxies sont des sondes observationnelles pour l'étude des structures de l'Univers. Leur mouvement gravitationnel permet de tracer la densité totale de matière. Par ailleurs, l'étude de la formation des structures et galaxies s'appuie sur les simulations numériques cosmologiques. Cependant, un seul univers observable à partir d'une position donnée, en temps et espace, est disponible pour comparaison avec les simulations. La variance cosmique associée affecte notre capacité à interpréter les résultats. Les simulations contraintes par les données observationnelles constituent une solution optimale au problème. Réaliser de telles simulations requiert les projets Cosmicflows et CLUES. Cosmicflows construits des catalogues de mesures de distances précises afin d'obtenir les déviations de l'expansion. Ces mesures sont principalement obtenues avec la corrélation entre la luminosité des galaxies et la vitesse de rotation de leur gaz. La calibration de cette relation est présentée dans le mi-infrarouge avec les observations du télescope spatial Spitzer. Les estimations de distances résultantes seront intégrées au troisième catalogue de données du projet. En attendant, deux catalogues de mesures atteignant 30 et 150 h−1 Mpc ont été publiés. Les améliorations et applications de la méthode du projet CLUES sur les deux catalogues sont présentées. La technique est basée sur l'algorithme de réalisation contrainte. L'approximation de Zel'dovich permet de calculer le champ de déplacement cosmique. Son inversion repositionne les contraintes tridimensionnelles reconstruites à l'emplacement de leur précurseur dans le champ initial. La taille inégalée, 8000 galaxies jusqu'`a une distance de 150 h−1 Mpc, du second catalogue a mis en évidence l'importance de minimiser les biais observationnels. En réalisant des tests sur des catalogues de similis, issus des simulations cosmologiques, une méthode de minimisation des biais peut être dérivée. Finalement, pour la première fois, des simulations cosmologiques sont contraintes uniquement par des vitesses particulières de galaxies. Le procédé est une réussite car les simulations obtenues ressemblent à l'Univers Local. Les principaux attracteurs et vides sont simulés à des positions approchant de quelques mégaparsecs les positions observationnelles, atteignant ainsi la limite fixée par la théorie linéaire / Galaxies are observational probes to study the Large Scale Structure. Their gravitational motions are tracers of the total matter density and therefore of the Large Scale Structure. Besides, studies of structure formation and galaxy evolution rely on numerical cosmological simulations. Still, only one universe observable from a given position, in time and space, is available for comparisons with simulations. The related cosmic variance affects our ability to interpret the results. Simulations constrained by observational data are a perfect remedy to this problem. Achieving such simulations requires the projects Cosmicflows and CLUES. Cosmicflows builds catalogs of accurate distance measurements to map deviations from the expansion. These measures are mainly obtained with the galaxy luminosity-rotation rate correlation. We present the calibration of that relation in the mid-infrared with observational data from Spitzer Space Telescope. Resulting accurate distance estimates will be included in the third catalog of the project. In the meantime, two catalogs up to 30 and 150 h−1 Mpc have been released. We report improvements and applications of the CLUES’ method on these two catalogs. The technique is based on the constrained realization algorithm. The cosmic displacement field is computed with the Zel’dovich approximation. This latter is then reversed to relocate reconstructed three-dimensional constraints to their precursors’ positions in the initial field. The size of the second catalog (8000 galaxies within 150 h−1 Mpc) highlighted the importance of minimizing the observational biases. By carrying out tests on mock catalogs, built from cosmological simulations, a method to minimize observational bias can be derived. Finally, for the first time, cosmological simulations are constrained solely by peculiar velocities. The process is successful as resulting simulations resemble the Local Universe. The major attractors and voids are simulated at positions approaching observational positions by a few megaparsecs, thus reaching the limit imposed by the linear theory / Die Verteilung der Galaxien liefert wertvolle Erkenntnisse über die großräumigen Strukturen im Universum. Ihre durch Gravitation verursachte Bewegung ist ein direkter Tracer für die Dichteverteilung der gesamten Materie. Die Strukturentstehung und die Entwicklung von Galaxien wird mithilfe von numerischen Simulationen untersucht. Es gibt jedoch nur ein einziges beobachtbares Universum, welches mit der Theorie und den Ergebnissen unterschiedlicher Simulationen verglichen werden muß. Die kosmische Varianz erschwert es, das lokale Universum mit Simulationen zu reproduzieren. Simulationen, deren Anfangsbedingungen durch Beobachtungsdaten eingegrenzt sind (“Constrained Simulations”) stellen eine geeignete Lösung dieses Problems dar. Die Durchführung solcher Simulationen ist das Ziel der Projekte Cosmicflows und CLUES. Im Cosmicflows-Projekt werden genaue Entfernungsmessungen von Galaxien erstellt, welche die Abweichung von der allgemeinen Hubble- Expansion abbilden. Diese Messungen werden hauptsächlich aus der Korrelation zwischen Leuchtkraft und Rotationsgeschwindigkeit von Spiralgalaxien gewonnen. In dieser Arbeit wird die Kalibrierung dieser Beziehung im mittleren Infrarot mithilfe von Daten vom Spitzer Space Telescope vorgestellt. Diese neuen Entfernungsbestimmungen werden im dritten Katalog des Cosmicflows Projekts enthalten sein. Bisher wurden zwei Kataloge veröffentlicht, mit Entfernungen bis zu 30 beziehungsweise 150 h−1 Mpc. In dieser Arbeit wird die CLUESMethode auf diese zwei Kataloge angewendet und Verbesserungen warden vorgestellt und diskutiert. Zunächst wird das kosmische Verschiebungsfeld mithilfe der Zeldovich-Näherung bestimmt. In umgekehrter Richtung kann man damit die aus heutigen Beobachtungsdaten rekonstruierten dreidimensionalen Constraints an ihren Ursprungsort im frühen Universum zurückzuversetzen. Durch den großen Datenumfang des cosmicflows-2 Katalogs (8000 Galaxien bis zu einer Entfernung von 150 h−1 Mpc) ist es besonders wichtig, den Einfluss verschiedener Beobachtungsfehler zu minimieren. Eine für das lokale Universum angepasste Korrekturmethode lässt sich durch die Untersuchung von Mock-Katalogen finden, welche aus kosmologischen Simulationen gewonnen werden. Schließlich stellt diese Arbeit erstmals kosmologische Simulationen vor, die ausschließlich durch Pekuliargeschwindigkeiten eingegrenzt sind. Der Erfolg dieser Methode wird dadurch bestätigt, dass die dadurch erzeugten Simulationen dem beobachteten lokalen Universum sehr ähnlich sind. Die relevanten Attraktoren und Voids liegen in den Simulationen an Positionen, welche bis auf wenige Megaparsec mit den beobachteten Positionen übereinstimmen. Die Simulationen erreichen damit die durch die lineare Theorie gegebene Genauigkeitsgrenze