Absorption profiles are found in the observed spectra from quasars, and the most prominent of these are the Damped Lyman-alpha Absorbers (DLAs). They are caused by large collections of neutral hydrogen (HI) gas, which are thought to be housed in galaxies that lie along the line-of-sight to quasars. HI gas associated with DLAs contains most of the HI gas in the Universe during 2 < z < 5, and hence details about DLAs are important for understanding the history of star formation, as well as the formation and evolution of galaxies. Wyithe (2008) proposed a method of determining the characteristic mass of dark matter haloes that host DLAs. This involves generating an analytic power spectrum of the fluctuations in 21cm brightness temperature caused by the HI gas in the Universe. Calculating this analytic 21cm power spectrum requires a formalism for the HI mass weighted clustering bias of DLAs on both large and small scales. We include this DLA clustering bias by firstly generating an analytic galaxy power spectrum using the halo model of Peacock & Smith (2000), as well as including the occupation of haloes by galaxies -- using the Halo Occupation Distribution (HOD) weighting of Peacock (2003). This weighting is then adapted to account for the occupation of haloes by HI gas. / We then fit the analytic 21cm power spectrum generated using this formalism to a simulated 21cm power spectrum, with the characteristic mass of DLA host haloes being used as a fitting parameter. The DLA host halo mass is in turn dependent upon two parameters in our model: the minimum mass of haloes M_{min} included in our formalism, and the HI weighting index alpha_{HI}. The neutral hydrogen fraction is another parameter, which we can choose to be the same as that from our simulation volume. If we also choose a value for alpha_{HI} that is motivated by analysis of the dark matter and HI gas content of the haloes in the simulation, then we are able to fit the 21cm power spectrum at both large and small scales, with an M_{min} that is the same or similar to the lowest mass in the simulation's halo catalogue. This in turn gives a similar value for the DLA host halo mass that is known to be the case in the simulation. This demonstrates the viability of the Wyithe (2008) method for determining the DLA host halo mass using observations of 21cm fluctuations. However, degeneracies in the free parameters of our analytic formalism would hinder an accurate determination of the DLA host halo mass from actual future observations. This is due to the fact that the real space, spherically averaged 21cm power spectrum is used throughout this thesis. However, extending our analytic formalism to the redshift space, angular-dependent 21cm power spectrum should be capable of breaking the degeneracy between DLA host halo mass and neutral hydrogen fraction.

Des systèmes d'absorption Lorentziens, qui sondent les nuages de gaz HI de plus hautes densités de colonne, servent ici à sonder les environnements de galaxies hôtes de noyaux actifs à grand décalage spectral (z > 2). Ceci permet d'étudier l'effet des mécanismes de rétroaction des noyaux actifs sur les galaxies hôtes, tel que les vents à haute vitesse et l'ionisation intense. J'implémente deux techniques pour identifier les systèmes Lorentziens au décalage spectral du quasar dans les données du Sloan Digital Sky Survey III Baryon Oscillation Spectroscopic Survey.Un tel système Lorentzien fait office de coronographe naturel puisqu'il absorbe complètement le rayonnement provenant du noyau actif. Parfois une raie Lyα étroite émise par la galaxie est superposée à l'absorption. J'étudie un échantillon statistiquement complet et je caractérise l'émission. Les systèmes Lorentziens qui révèlent les raies étroites d'émission Lyα les plus lumineuses proviennent de nuages denses et compacts dans la galaxie hôte. Les autres sont dus à des galaxies voisines du quasars.Une deuxième technique consiste à observer des paires de quasars ayant une petite séparation angulaire pour sonder les environnements des galaxies hôtes à des distances transverses inférieures à 90 kpc. J'analyse les propriétés du gaz pour des paires où un système Lorentzien apparait dans le spectre du quasar d'arrière plan coïncident avec le pic d'émission Lyα du quasar de premier plan.Dans une des paires, je détecte une sur-densité de systèmes absorbants à z = 2.69 dans une région correspondant à 6.4 Mpc en distance propre. Les propriétés de cette région suggèrent un filament du milieu intergalactique. / Damped Lyman-α absorbers (DLAs), the highest column density HI Lyman-α (Lyα) absorptions, are used in this thesis to study the environments of high-redshift (z > 2) quasar host galaxies. This is essential for determining how feedback mechanisms from active galactic nuclei (AGN), including high-velocity winds and intense ionizing radiation, impact the host galaxies. Thanks to the large number of quasar sight-lines from the Sloan Digital Sky Survey III Baryon Oscillation Spectroscopic Survey, I implement two techniques to identify DLAs that occur at the quasar redshift.Along the sight-line, these DLAs act as natural coronagraphs and completely absorb the broad Lyα emission from the central AGN. In some cases, a narrow Lyα emission line from the quasar host galaxy is superimposed on the DLA trough. I compare coronagraph DLAs that reveal narrow Lyα emission with those that do not in a statistically complete sample and characterize the emission. DLAs with the most luminous narrow Lyα emission peaks may arise from dense, compact clouds in the host galaxy, while the others may be due to neighboring galaxies. With a second technique, I use pairs of quasars with small angular separations to investigate host galaxy environments at distances of less than 90 kpc in the transverse direction. I analyze the gas properties for pairs where a DLA appears in the background quasar spectrum coincident with the foreground quasar Lyα emission peak.In one of the pairs, I also detect an overdensity of Lyman-limit system absorbers at z = 2.69 in a region spanning 2000 km/s (6.4 Mpc proper distance) along the two sight-lines. The overdense region properties suggest an intergalactic medium filament.

This thesis presents spectroscopic observations of z ≥ 7 galaxy candidates in the Hubble Ultra Deep Field, which were selected with HST WFC3 imaging, using the Lyman-Break technique. Four z-band (z ≈ 7) dropout galaxies were targeted with Gemini/GNIRS, one z-band dropout galaxy and three Y -band (z ≈ 8 − 9) dropout galaxies with VLT/XSHOOTER, and 22 z-band dropouts with VLT/FORS2, where 15 of the latter are strong candidates. No evidence of Lyman-α emission is found, and the upper limits on the Lyman-α flux and the broad-band magnitudes are used to constrain the rest-frame equivalent widths for this line emission. Amongst the targeted objects, observations were made of HUDF.YD3, a relatively bright Y -band dropout galaxy likely to be at z ≈ 8 − 9 on the basis of its colours in the HST ACS and WFC3 images. Lehnert et al. (2010) observed this galaxy using the VLT/SINFONI integral field spectrograph and claim that it exhibits Lyman-α emission at z = 8.55. In observations of this object described in this thesis, which were made with VLT/XSHOOTER and Subaru/MOIRCS, this line was not reproduced despite the expected signal in the combined MOIRCS & XSHOOTER data being 5σ. Hence it appears unlikely that the reported Lyman-α line emission at z > 8 is real. Accounting for incomplete spectral coverage, in total (across all spectro- graphs) 9.63 z-band dropouts and 1.15 Y -band dropouts are surveyed to a Lyman-α rest-frame Equivalent Width better than 75 ̊A. A model where the fraction of high rest-frame equivalent width emitters follows the trend seen at z = 3−6.5 is inconsistent with these non-detections at z = 7−9 at a confidence level of ∼ 91%, which may indicate that a significant neutral HI fraction (χHI) in the intergalactic medium suppresses the Lyman-α line at z > 7. In particular, the lack of detection of Lyman-α emission in this spectroscopy is compared with results at lower redshift by Stark et al. (2010), who derive a mapping between Lyman-α fractions and χHI based on radiative transfer simulations by McQuinn et al. (2007). These results suggest a lower limit of χHI ~ 0.5.

L'etude des raies d'absorption dans le spectre des quasars constitue<br />aujourd'hui un des outils majeurs de l'observation des galaxies au<br />cours de leur formation et de leur evolution. En effet, ces raies<br />revelent le gaz interpose tout au long de la ligne de visee entre le<br />quasar et l'observateur. Les systemes avec les plus grandes densites<br />de colonne, les sytemes lorentziens (DLAs), ont une densite de colonne<br />en hydrogene neutre superieure a 2 * 10^20 atomes cm^-2. Ces<br />absorbants ont longtemps ete consideres comme les precurseurs des<br />galaxies spirales observees a faible decalage spectral (z), meme si<br />certains travaux semblent indiquer qu'ils pourraient etre constitues<br />en majorite de galaxies naines riches en gaz, elements de base de la<br />formation hierarchique des structures. L'observation de ces systemes<br />etant independante de leur taille, forme ou facteur de recouvrement,<br />ils fournissent des informations complementaires a l'etude de<br />l'emission propre des galaxies. Les systemes Lyman limit (LLSs)<br />possedent une densite de colonne N(HI) > 1.6 * 10^17 atomes cm^-2. A<br />z<1, ils sont probablement associes aux halos des galaxies. Enfin, les<br />nombreux systemes avec les plus petites densites de colonne (10^12 -<br />10^17 atomes cm^-2) constituent "la foret Lyman-alpha".<br /><br /><br />Cette these presente un echantillon de 66 quasars brillants a z>4,<br />observes avec le telescope de 4 m "Cerro Tololo Inter-American" et<br />le telescope de 4,2 m "William Herschel". En premier lieu, l'etude<br />consiste en l'analyse des quasars a l'aide de la modelisation de<br />l'emission continue du quasar, et de la mesure des parametres de<br />depression du continu qui quantifient l'absorption moyenne dans la<br />region de la foret Lyman-alpha. Les spectres de quasars sont ensuite<br />analyses de maniere a etudier les absorbants qu'ils contiennent. Ces<br />donnees menent a la construction d'un echantillon de 26 nouveaux<br />systemes lorentziens lointains et 34 nouveaux systemes Lyman limit<br />ainsi que de nombreux systemes metalliques associes. Cet ensemble de<br />donnees permettent de determiner la distribution de la densite de<br />colonne, f(N,z), ainsi que la masse totale d'hydrogene neutre contenue<br />dans les absorbants de grande densite de colonne. Le nombre de LLSs<br />observes par unite de decalage spectral permet de contraindre f(N,z)<br />en-dessous de la limite des DLAs, dans l'intervalle N(HI) = 1,6 *<br />10^17 a 2 * 10^20 atomes cm^-2. L'analyse demontre sans ambiguite que<br />f(N,z) diverge d'une loi de puissance et qu'une distribution gamma<br />f(N,z) = (f_*/N_*)(N/N_*)^(-beta) exp(-N/N_*) represente de maniere<br />plus precise les observations. Ces resultats sont ensuite utilises<br />pour determiner la quantite de gaz neutre contenue dans les systemes<br />DLAs ainsi que dans les absorbants avec N(HI) > 2 * 10^19 atoms cm^-2<br />(systemes "sous-lorentziens"). Dans l'intervalle de decalage<br />spectral 2 - 3, 85% de la densite en masse HI + He II se trouve dans<br />les DLAs. Cependant, a z>3,5, nous trouvons que cette fraction est<br />seulement de 55%, le reste de la masse se trouvant dans les systemes<br />sous-lorentziens. Apres avoir corrige la masse HI observee en prenant<br />en compte ce gaz neutre "manquant", la densite comobile en masse ne<br />presente plus de decroissance dans l'intervalle z = 2 - 5 par rapport<br />aux etudes anterieures ne considerant pas les systemes<br />sous-lorentziens. Le changement dans la distribution de densite de<br />colonne suggere qu'a z>3,5, nous observons directement la formation<br />des systemes de grande densite de colonne HI a partir de systemes de<br />densite de colonne plus petites. Enfin, nous presentons nos<br />predictions concernant l'evolution de la densite en nombre de systemes<br />sous-lorentziens avec le decalage spectral. Des resultats<br />preliminaires de cette mesure a partir de donnees d'archives echelle<br />UVES semblent etre en accord avec ces predictions.

Far-ultraviolet (FUV) spectral images of Jupiter's moon Europa were obtained by the Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS) on the Hubble Space Telescope (HST) on 20 occasions between the years 1999 and 2015. In this thesis these data are analyzed to look for Lyman-alpha emissions from a hydrogen corona. This hydrogen corona was recently discovered in absorption, also from HST Lyman-alpha images but with Europa in transit of Jupiter, and the aim of this study is to confirm the existence of the corona also in emission. Europa's thin atmosphere is dominated by molecular oxygen, mainly produced by radiolysis and sputtering of the icy surface. Atomic hydrogen, the main target for this study, is produced by sputtering from the surface and the dissociation of H2 and H2O. It quickly escapes the gravity of Europa. To study the hydrogen corona in the spectral STIS images the data need to be processed to remove the other Lyman-alpha contributions to the image. These other contributions include emissions from the geocorona, emissions from the interplanetary medium (IPM), dark current in the detector and sunlight reflected from the surface of Europa. To estimate the contribution to the image from the hydrogen corona, a basic model of the expected emissions from the corona is developed. By fitting this model to the processed STIS data values of the hydrogen density and the surface Lyman-alpha albedo of the moon are obtained. The results confirm the presence of a hydrogen corona, with varying densities between the different observations but generally about twice as large as the results from the previous study. The uncertainty for the results is however large and there is a clear correlation between hydrogen density and background level in the image, for which the reason is poorly understood. No hemispheric variability or connections to the true anomaly of the moon are found, but the hydrogen density seems to be increasing during the time of the observations. The results for the albedo is consistent with previous results, indicating a lower albedo on the leading than on the trailing hemisphere.

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Les oscillations acoustiques de baryons (BAO) constituent une règle standard permettant de contraindre les différents modèles cosmologiques. Cette thèse rend compte de la première mesure des BAO dans la fonction de corrélation de la fraction de flux transmise des forêts Lyman-α des quasars à grands décalages spectraux. Cette détection utilise 89322 spectres de quasars mesurés par le Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) de la troisième génération du Sloan Digital Sky Survey (SDSS-III). Les quasars considérés possèdent des décalages spectraux compris dans l'intervalle 2,1 < z < 3,5. Un pic dans la fonction de corrélation est détecté à 1,043+0,021−0,020 fois la position attendu du pic BAO pour le modèle de concordance ΛCDM. Cette mesure permet de contraindre la distance angulaire DA ainsi que le paramètre de Hubble H à un décalage spectral moyen z = 2,38. Par ailleurs cette thèse présente une nouvelle méthode de sélection des quasars par variabilité. Cette méthode est appliquée à la région du Stripe 82 où un grand nombre de données photométriques multi- époque est disponible. Sur cette région, elle permet d'atteindre une densité d'environ 30 deg−2 quasars contre 18 deg−2 pour les sélections usuelles par couleur.

Durant ce travail, nous nous sommes intéressé à l'impact, dans les galaxies naines, qu'ont les étoiles massives formées lors d'un sursaut de formation stellaire. Deux aspects de ce problème, différents mais complémentaires, ont été abordés: d'une part, l'incidence du sursaut sur la dynamique du milieu interstellaire, à travers l'émission de la raie Lyalpha, et d'autre part l'influence de ces sursauts sur l'évolution chimique de ces objets. En effet, lors d'un épisode violent de formation stellaire, les étoiles massives ionisent fortement le gaz environnant, donnant normalement lieu à des émissions de photons Lyalpha et Halpha dont le rapport des quantités peut être évalué de façon théorique. Toutefois, les premières observations de l'émission Lyalpha dans des galaxies à sursaut ont révélé un apparent déficit de ces photons par rapport à l'émission Halpha observée. Attribué initialement à l'effet conjugué de la diffusion résonante dans le gaz neutre et de la destruction des photons Lyalpha par les poussières, nous avons pu confirmer, en nous basant sur la comparaison des profils des ces deux raies, observées au sol et dans l'espace avec le télescope spatial, que la dynamique du gaz, contrôlée par l'énergie mécanique libérée par les étoiles massives, était également un facteur déterminant pour l'émergence de la raie Lyalpha. Tout particulièrement, nous avons pu montrer que si l'on négligeait l'effet de la dynamique de la matière interstellaire, l'apparent déficit en photons Lyalpha pouvait être expliqué en invoquant, vraisemblablement à tort, une loi et un coefficient d'extinction élevés, mais qu'en revanche, la prise en compte des effets dynamiques, indique que les photons Lyalpha émergent principalement de régions de faible extinction. D'autre part, les étoiles massives, formées lors d'un sursaut, rejettent dans le milieu interstellaire les métaux qu'elles ont synthétisées, contribuant ainsi à son enrichissement. Afin d'étudier les échelles spatiales et temporelles de cet enrichissement, nous avons obtenu un spectre à longue fente de la galaxie naine IZw 18, objet présentant la particularité d'être le plus sous-abondant de l'univers local. Ces observations profondes (14 heures de pose !) ont révélé une abondance en oxygène extrêmement homogène à une échelle de plus de 600 pc, suggérant, en accord avec les résultats concernant d'autres galaxies à sursaut, que l'enrichissement dû aux étoiles massives actuelles n'était pas encore visible. L'hypothèse la plus probable semble que les métaux éjectés par les étoiles massives, sous forme de vents stellaires et éjectas de supernovae, demeurent, dans les premiers temps du sursaut, dans une phase chaude et peu dense, rayonnant dans le domaine X (mais pas en optique), et ne se mélangent pas immédiatement au milieu interstellaire environnant. En nous aidant d'un modèle d'évolution spectrophotométrique couplé à l'évolution chimique des galaxies, nous avons étudié différents scénarios d'histoire de formation d'étoiles dans IZw 18. La possibilité d'une éjection hors de la galaxie des métaux rejetés par les étoiles massives, voire par les étoiles de masses intermédiaires, a été étudiée. Si les abondances en carbone et oxygène observées dans IZw 18 résultent uniquement d'un enrichissement par des sursauts de formation d'étoiles, au plus 60 à 70 % des métaux produits par les étoiles de toute masses doivent être ainsi perdus. Nous avons également montré qu'une formation stellaire continue, mais de très faible intensité, durant les périodes inter-sursaut devait être prise en compte, et que ce mode de formation d'étoiles ne pouvait être négligé lorsque l'on s'intéresse aux objets de très faible métallicité. En particulier, les abondances mesurées dans IZw 18 pourraient ne provenir que de ce type de formation stellaire si celle-ci s'est maintenue pendant un temps de Hubble. Le sursaut actuel serait alors le premier, mais une formation d'étoiles faible et lente aurait commencée il y a plusieurs milliards d'années. Nous avons également montré que les galaxies à faible brillance de surface pouvaient être les contreparties en phase "calme" des galaxies à sursaut et que la possible augmentation de la métallicité minimale des systèmes absorbants Lyman alpha quand le décalage spectral diminue pouvait être le résultat d'une formation stellaire continue, mais très faible, qui contribuerait à augmenter régulièrement le contenu en métaux de la matière interstellaire.

Les abondances atmosphériques du dioxyde de carbone et du méthane augmentent progressivement, modifiant probablement le climat global de l'atmosphère. Bien que ces effets soient très étudiés dans la troposphère, ils le sont peu dans l'atmosphère moyenne (20 - 120 km) où ils pourraient avoir un impact plus facilement détectable. Nous nous intéressons en particulier à la mésosphère/basse thermosphère (MLT), où apparaissent de plus en plus souvent des nuages mésosphériques polaires (PMC). La MLT est sensible au niveau d'activité solaire, qui varie selon un cycle de onze ans.<p>Nous évaluons les impacts de ces deux changements anthropiques et de ce cycle naturel sur la température et la chimie de la MLT. Pour ce faire, nous participons au développement d'un modèle bidimensionnel de l'atmosphère :SOCRATES. Ce modèle calcule interactivement les moyennes zonales des vents, de la température et de la composition chimique de l'atmosphère en fonction de la latitude (85°S-85°N) et de l'altitude (0-120 km). Avant de nous intéresser au changement global, nous avons dû améliorer SOCRATES pour qu'il reproduise au mieux la situation chimique, dynamique et thermique actuellement observée.<p>Nous avons ainsi modifié la résolution du système chimique; développé une nouvelle paramétrisation de l'absorption par O2 du rayonnement solaire ultraviolet à Lyman-&61537; (121.6 nm) [Chabrillat et Kockarts, 1997] ;créé une approximation des sources thermosphériques de NO; paramétrisé le forçage dynamique par déferlement des ondes de gravité pour reproduire de manière très réaliste les observations actuelles de température dans la MLT ;et développé un algorithme pour prendre en compte non seulement la diffusion turbulente mais aussi la diffusion moléculaire. Tous ces développements sont décrits en détail, et leurs effets sur la physico-chimie de la. MLT sont analysés. Les concentrations chimiques calculées par le modèle sont comparées avec succès à des observations - en particulier de l'ozone et du radical hydroxyle.<p>Nous étudions ensuite en détail l'impact du cycle solaire de onze ans sur la MLT. Une analyse complète du budget thermique nous permet d'établir, par exemple, que la raie Lyman-&61537; est responsable de la moitié du réchauffement entre SOLMIN et SOLMAX. Nous évaluons alors la sensibilité de la MLT à un doublement (théorique) de l'abondance de C02. Nous trouvons qu'aux hautes latitudes et en été, zone d'apparition des PMC, cet effet est très faible. Puis nous réalisons une simulation où le méthane est ramené à son niveau préindustriel. L'accroissement de CH4 depuis cette époque est responsable, non seulement de l'augmentation de la vapeur d'eau dans l'atmosphère moyenne, mais aussi d'un léger refroidissement dans la MLT. Cet effet est maximal dans les régions polaires et en été, là où les deux autres sont minimaux.<p>Nous concluons par une grande simulation intégrée de l'évolution du climat et de la chimie de l'atmosphère moyenne au cours du XXIe siècle. Nous trouvons qu'au niveau d'apparition des PMC, la tendance au refroidissement est plus faible que partout ailleurs. Par contre, la vapeur d'eau augmente plus rapidement en été qu'en hiver. Ces calculs fournissent des indices pour réconcilier les observations plus fréquentes des PMC avec une synthèse des températures mesurées dans l'été arctique, selon laquelle les températures n'auraient pas varié depuis quarante ans.<p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Uranus is one of the least explored planets in our solar system. Event though the Uranian Ly-α emission has been a subject of study for decades, there is not a consensus on the sources contribution to the total signal. This thesis aims to analyse the contribution from scattering of the solar flux to the Uranian Ly-α dayglow by solving the radiative transfer equation in a parameter study for the atmosphere. The sources are solar Ly-α resonant scattering and Rayleigh scattering by atomic and molecular hydrogen respectively. The radiative transfer equation is solved using the Feautrier Method Program, a program written by Randall G. Gladstone. The program was adjusted to the Uranian atmosphere and modelled with different variations in parameters, including the atmospheric temperature and particle density of Ly-α scatterers and absorbers. A parameter study is performed to investigate the dependency on the Ly-α signal on these parameters. The results showed a significant Ly-α limb brightening with a maximum intensity located around 400 km outside one planetary radius as seen from the disk center. The contributions to the Ly-α dayglow from Rayleigh scattering by H2 was calculated to be 160 R whereas the contribution from resonant scattering by H was 550 R. One feature that prevents direct comparison to observed data with this thesis is that some sources that contributes to Uranus Ly-α signal are omitted in the simulations. / Uranus är en av solsystemets minst utforskade planeter. Även om dess Ly-α-strålning har undersökt, råder ännu inte konsensus kring de olika källornas bidrag till den totala Ly-α signalen. Genom att lösa ekvationen för strålningstransport i en parameterstudie ämnar examensarbetet att studera bidraget från solens två källor till Uranus Ly-α- signal. De två källorna är resonant- och Rayleigh strålningsspridning från atomärt och molekulärt väte. Ekvationen för strålningstransport beräknas av ett program som heter Feautrier Method Program, skapat av Randall G. Gladstone. Programmet har justeras till Uranus atmosfär för att kunna beräkna strålningstransport för olika atmosfärersmodeller i en parameterstudie. Parameterna som ändras är temperaturen, partikeldensiteten hos spridare och absorberare i atmosfären. Från resultaten kan parameterstudien svara på beroendet av de olika källorna till Ly-α-signalen från Uranus. Resultaten visar en tydlig ökning av ljusintensitet vid Uranus kanter med maximum runt 400 km utanför planetens radie, sett från planetens mitt. Bidraget till Ly-α-signalen från Rayleigh stålningsspridning beräknades till 160 R och från resonant strålningsspridning till 550 R. En egenskap som hindrar direkt jämförelse med resultaten från detta examensarbete och observerad data är att alla bidragande källor till Uranus Ly-α signal inte simulerats.