Environment is known to have a significant impact on the evolution of galaxies. This is most evident in the local Universe, where the oldest and most massive galaxies are found at the of massive galaxy clusters. Current theory predicts that galaxies will form earlier and evolve more rapidly in the densest regions of the Universe. What is not clear is how rapidly the of environment start to have an impact on galaxies, at what stage can we detect physical differences between galaxies in dense regions and those in the field? By the time galaxies are assembled in virialised clusters the effects are clear, but at higher redshift (z ≳ 2), in the unvirialised progenitors of clusters (protoclusters) the effects are harder to detect. In this thesis I study the impact of environment in a z =3.1 protocluster in the SSA22 field. I consider the fraction of mergers in the protocluster, comparing it to the fraction of mergers in field at a similar redshift. My classification is based on the morphology of Lyman break (LBGs), using HST ACS/F814W imaging, which probes the rest frame UV. I find a marginal enhancement of the merger fraction, 48±10 per cent for LBGs in the protocluster compared 30±6 per cent in the field, suggesting that galaxy-galaxy mergers are one of the key driving accelerated star formation and AGN growth in protocluster environments. Having considered the fraction of mergers in the protocluster I then turn my attention to the physical properties of LBGs. I use multiwavelength data and spectral energy distribution fitting to determine the mass of LBGs in the protocluster and in the field. I find no statistical evidence for an enhancement of mass in the protocluster, suggesting that the protocluster environment has not impacted the average mass of LBGs at this redshift. It is possible that the protocluster LBG population may become more massive than LBGs in the field at lower redshift, or the galaxies may cease to be detectable by the Lyman break method before a mass difference between the protocluster galaxies and field is observable. Finally I consider the Lyman-α blobs (LABs) within the protocluster. These are large (~10- 100kpc) scale regions of diffuse Lyman-α emission, thought to be associated with overdense regions. 35 LABs have been detected in the SSA22 protocluster, indicating the presence of large clouds of gas in the circumgalactic medium. A debate has arisen regarding the powering mechanism of the LABs, particularly between star forming processes (e.g. Lyman-α escaping from a star forming galaxy or photoionizing radiation escaping from a star forming galaxy or active galactic nuclei) and a cold accretion model. The latter involves gas gravitationally cooling as it falls into the centre of a dark matter halo to feed a central galaxy. Some of this energy heats the cold gas, which then emits Lyman-α as it cools. The cold gas accretion theory gained popularity because some LABs appear not to contain a luminous galaxy or AGN which could explain the observed emission. One suggestion is that the central galaxy could be hidden by dust and that this could explain the lack of a detection in UV or optical. I therefore use SCUBA2 850μm imaging to search for submm sources (dusty star forming galaxies) in the LABs. I detect submm sources in only two of the LABs at 3.5δ, however, stacking all the LABs gives an average flux density of S850 = 0.6±0.2mJy. This suggests that on average the LABs do contain a submm source which could be a dusty galaxy. However, stacking the LABs by size indicates that only the largest third (area ≳ 1800kpc²) have a mean detection, at 4.5δ, with S850 = 1.4±0.3mJy, suggesting that different mechanisms may dominate the larger and smaller LAB populations. I explore two possible mechanisms for powering the LABs, cold accretion and central star forming galaxies. I find that central star formation is more likely to be the dominant source of emission, with cold accretion playing a secondary role.

To constrain the era when the first galaxies and stars appeared upcoming instruments will rely on the brightest events in the universe: supernovae and brilliant emission from massive black holes. In this dissertation, we investigate the observability of certain types of supernovae of the very first stars (Population III stars) and find that while these events are sufficiently luminous to be observed with deep-sky instruments such as the James Webb Space Telescope (JWST), they may not observe these particular types of events in their lifetimes. We next explore the origins of massive black holes and introduce the direct collapse hypothesis of supermassive black hole formation. We model CR7, an apparently metal-free, luminous, Lyman-alpha emitting galaxy, as if it were powered by a massive direct collapse black hole and find that such a black hole can account for CR7's impressive Lyman-alpha flux. We finally investigate the nature of the connection between water megamasers, very bright radio sources originating from population inversion in dense, shocked gas around massive black holes and hydroxyl megamasers which generally accompany star formation. We carry out a ~ 60 hour radio survey for water emission among galaxies hosting OH megamaser hosts to assess the connection between the two types of emission. We find marginally statistically significant evidence that OH megamasers exclude water kilomasers and confirm with high levels of significance (> 8 sigma) the presence of a water megamaser in II Zw 96, establishing this object as the second galaxy known to cohost simultaneous water and hydroxyl megamasers.

Strong damped Lyman alpha absorption (DLA) lines seen spectra of distant quasar are believed to arise when the sight line to the quasar goes trough the disc of a galaxy or a proto galaxy. Most of the neutral matter in the universe is contained in these clouds of neutral hydrogen that cause the absorption lines. Hence these DLAs are reservoirs for the formation of stars and galaxies throughout the universe. Despite intensive efforts over more than two decades only few galaxies responsible for the DLAs have been found. The problem is that the galaxies that harbour the neutral clouds are not necessarily bright, and selecting galaxies based on absorption lines could well select different types of galaxies than found in large surveys. If we are to understand how galaxies form out of neutral gas clouds it is essential to locate the galaxies in which DLAs reside. <br><br> This thesis explores the use of integral field spectroscopy (IFS) to observe quasars known to have strong absorption lines in their spectra. IFS allows us to obtain a spectrum at many spatial points close to the quasar, thus providing images and spectroscopy simultaneously. From the imaging part, we can directly identify objects, and from the spectroscopy we can calculate the distances to the objects. When the distance of the object found in emission matches the distance to the object that cause the DLA line, we have identified the absorbing galaxy. <br><br> Using this technique, we have showed that we can successfully recover a few DLA galaxies known previously from the literature. In a survey aimed to increase the number of DLA galaxies we have identified eight new candidate DLA galaxies. The projected distances from the candidates to the quasar sight lines indicate that the DLA galaxies have sizes similar to local disc galaxies. Hence our results suggest that large discs may be present when the universe was just 2 billion years old. We furthermore find no differences between the sizes of the very distant DLA galaxies and those that are not so distant. The large sizes imply that their neutral hydrogen masses are also similar to those in local galaxies, but we argue that the DLA galaxies are not necessarily as luminous as the present day disc galaxies. <br><br> Taking advantage of the three-dimensional view provided by the IFS data, the second part of this thesis investigates extended emission line regions arising in the quasar neighborhood. We find that extended emission line nebulae are common around quasars, and explore the effects that may be the cause. Some quasars are known to be powerful radio emitters while others are not detected at radio wavelengths. We find that significantly larger and brighter emission line nebulae are found around the quasars which have the brightest radio emission, and in particular those that have large radio jets. The existence of the nebulae can be interpreted as an interaction of the radio jet with the surrounding medium, but we can not rule out a scenario where there are density or temperature differences in the surrounding environment. Only for the brightest object, where additional velocity information can be derived from the IFS data, can we argue for an interaction. <br><br> In conclusion the use of IFS to search for faint emission lines, both from point sources and extended nebulae provides exciting new results within the scientific areas studied here. / Man glaubt, daß starke gedämpfte Lyman alpha Absorptionslinien (damped Lyman alpha lines, DLA lines) in den Spektren entfernter Quasare entstehen, wenn die Sichtlinie zu dem Quasar durch eine Galaxie oder eine Proto-Galaxie geht. Die meiste neutrale Materie des Universums ist in diesen Wolken aus neutralem Wasserstoff enthalten, die die Absorptionslinien verursachen. Daher sind diese DLAs Reservoire für die Bildung von Sternen und Galaxien im gesamten Universum. Trotz intensiver Anstrengungen seit mehr als zwei Jahrzehnten konnten nur wenige Galaxien gefunden werden, die für DLAs verantwortlich sind. Das Problem ist, daß die Galaxien, die die neutralen Wolken beherbergen, nicht notwendigerweise hell sind, und Galaxien basierend auf Absorptionslinien zu selektieren, könnte leicht andere Typen von Galaxien selektieren, als diejenigen, die in großen Durchmusterungen gefunden werden. Wenn wir verstehen wollen wie Galaxien aus neutralen Gaswolken entstehen, ist es entscheidend, die Galaxien ausfindig zu machen, in denen DLAs liegen. <br><br> Diese Doktorarbeit erforscht die Nutzung der Ganzfeldspektroskopie (integral field spectroscopy, IFS), um Quasare zu beobachten, die bekanntermaßen starke Absorptionslinien in ihren Spektren haben. IFS erlaubt uns, ein Spektrum an vielen räumlichen Punkten nahe des Quasars zu erhalten, somit Bilder und Spekroskopie gleichzeitig zu liefern. Aus den Bildern können wir direkt Objekte identifizieren und aus der Spektroskopie können wir die Entfernungen zu den Objekten berechnen. Wenn die Entfernung zum gefundenen Objekt mit der Entfernung zu einer DLA-Linie übereinstimmt, dann haben wir die absorbierende Galaxie gefunden. <br><br> Diese Methode anwendend, können wir zeigen, daß wir erfolgreich einige wenige schon aus der Literatur bekannte DLA-Galaxien wiederentdecken können. In einer auf Erhöhung der Zahl von DLA-Galaxien abzielenden Duchmusterung haben wir acht neue DLA-Galaxienkandidaten identifiziert. Die projizierten Entfernungen von den Kandidaten zu den Quasarsichtlinien lassen erkennen, daß die DLA-Galaxien ähnliche Größen haben, wie nahe Scheibengalaxien. Daher lassen unsere Resultate darauf schließen, daß es große Scheibengalaxien gegeben haben könnte, als das Universum gerade zwei Milliarden Jahre alt war. Außerdem finden wir keine Unterschiede zwischen den Größen der sehr weit entfernten DLA-Galaxien und jenen, die nicht so weit entfernt sind. Die Größen implizieren, daß ihre Massen gebunden in neutralem Wasserstoff auch ähnlich sind zu jenen in lokalen Galaxien, aber wir vertreten die Ansicht, daß DLA-Galaxien nicht notwendigerweise so leuchtkräftig sind wie heutige Scheibengalaxien. <br><br> Den dreidimensionalen Blick ermöglicht durch die IFS-Daten ausnutzend, untersucht der zweite Teil dieser Doktorarbeit ausgedehnte Emissionslinienregionen, die in der Nachbarschaft der Quasare entstehen. Wir finden heraus, daß ausgedehnte Emissionsliniennebel um Quasare häufig sind und erforschen die ihnen zugrundeliegenden Effekte. Einige Quasare sind bekannte starke Radioquellen, während andere nicht im Radiobereich entdeckt werden. Wir zeigen, daß bedeutend größere und hellere Emissionsliniennebel um Quasare gefunden werden, welche die stärkste Radioemission, insbesondere große Radiojets, aufweisen. Die Existenz der Nebel kann interpretiert werden als eine Wechselwirkung der Radiojets mit dem umgebenden Medium, aber wir können nicht ausschließen, daß es Dichte- oder Temperaturunterschiede in der Umgebung gibt. Nur für die hellsten Objekte, für die zusätzliche Geschwindigkeitsinformation aus den IFS-Daten abgeleitet werden kann, vertreten wir die Ansicht der Wechselwirkung. <br><br> Die Nutzung der IFS bei der Suche nach schwachen Emissionslinien von Punktquellen wie auch ausgedehnten Nebeln bietet spannende neue Ergebnisse in den hier studierten wissenschaftlichen Gebieten.

This dissertation addresses two cosmological applications of the Lyman-alpha (Ly ɑ) forest observed in QSO pairs separated by several arcminutes or less. The Ly ɑ flux autocorrelation and cross-correlation provide a measurement of cosmic geometry at z > 2, via a variant of the Alcock-Paczyński test. I present the results of an observing campaign to obtain moderate resolution spectroscopy of the Ly ɑ forest in QSO pairs with small redshift differences (Δz < 0.25) and arcminute separations (θ < 5'). This new sample includes 29 pairs and one triplet suitable for measuring the cross-correlation and 78 individual QSO spectra for determining the autocorrelation. Continuum fits are provided, as are seven revisions for previously published QSO identifications and/or redshifts. Using a suite of hydrodynamic simulations, anisotropies in the Ly ɑ flux correlation function due to redshift-space distortions and spectral smoothing are investigated for 1:8 ≤ z ≤ 3, further enabling future applications of the Alcock-Paczyński test with Ly ɑ correlation measurements. Sources of systematic error including limitations in mass-resolution and simulation volume, prescriptions for galactic outflow, and the observationally uncertain mean flux decrement are considered. The latter is found to be dominant. An approximate solution for obtaining the zero-lag cross-correlation for arbitrary spectral resolution is presented, as is a method for implementing the resulting anisotropy corrections while mitigating systematic uncertainty.

Magíster en Ciencias, Mención Astronomía / La observación de emisión Lyman alpha (Lyα) proveniente de galaxias es una técnica ampliamente utilizada para el estudio del universo a alto redshift (e.g. Shapley et al. 2003, Ouchi et al. 2008, Stark et al. 2010, Blanc et al. 2011). Sin embargo, a pesar de su importancia, los estudios estadísticos de esta emisión no abordan posibles sesgos al elaborar las muestras de objetos, induciendo discrepancias. Diferentes metodologías inducen selecciones en masa estelar (M∗), tasa de formación estelar (SFR) y metalicidad. Los perjuicios asociados a la forma actual de estudiar la emisión Lyα no solamente se restringen a sesgos en los resultados obtenidos, sino que también limitan nuestro entendimiento de este proceso radiativo en la población de galaxias. En consecuencia, nuestra comprensión de la emisión Lyα en dicha población es actualmente altamente especulativo. Todas estas razones justifican la necesidad de llevar a cabo un estudio de emisión Lyα en la población de galaxias, lo cual es el objetivo de esta tesis. El presente trabajo detalla los resultados de un exhaustivo análisis de emisión Lyα a alto redshift. Para ello, primero diseñamos una muestra de 629 galaxias observadas por CANDELS (Koekemoer et al. 2011, Grogin et al. 2011). Dicha muestra se encuentra especialmente di- señada para abarcar el rango de masa estelar 7.6 < log (M∗[M⊙]) < 10.6 y rango de redshift 3 < z < 4.6. Tras esta selección, realizamos espectroscopía de los objetos con el Michigan/- Magellan Fiber System (M2FS; Mateo et al. 2012). De esta forma, contamos con mediciones de flujo de Lyα, además de la fotometría CANDELS, la cual permite obtener masa estelar, luminosidad, tasa de formación estelar, y extinción para cada galaxia. Observamos que el Ancho Equivalente y Fracción de escape de Lyα decrecen con la masa estelar, luminosidad en el UV, tasa de formación estelar, y extinción de las galaxias. Además, introducimos aplica- ciones de estadística Bayesiana en este campo de la astrofísica. Esto nos permite concluir que un modelo de distribución exponencial es el más apropiado para reproducir nuestras distri- buciones de Ancho Equivalente de Lyα, además de caracterizar la completitud y significancia de las correlaciones que observamos. También estudiamos los impactos que tienen diferentes técnicas de selección de galaxias en las estadísticas observadas de Lyα. Lyman Break Galaxies y estudios de Lyα emitters seleccionan preferentemente galaxias de baja masa estelar y poco polvo interestelar. Finalmente, realizamos la primera predicción semi-analítica de la fracción de Lyα emitters hasta redshift 7, la cual se puede utilizar para restringir observacionalmente la época de reionización. Todos estos resultados no solamente contribuyen a comprender de mejor manera este tipo de radiación, sino que también establecen un nuevo marco para el análisis estadístico de este trazador del universo temprano.

La première partie de cette thèse présente une modélisation des émissions aurorales de Jupiter dans l'ultraviolet. Le but de ce travail est de quantifier comment ces émissions permettent de contraindre l'énergie des électrons qui précipitent dans la haute atmosphère polaire de la planète. Deux types d'émissions sont étudiés : celle de la raie Lyman alpha de l'hydrogène atomique ainsi que celles de H2. Les précipitations d'électrons aurorales sont modélisées à l'aide d'un code de transport cinétique. Le profil et l'intensité de la raie H Lyman alpha sont obtenus avec un code de transfert radiatif. Des spectres synthétiques des émissions de H2 sont calculés. En étudiant la variabilité des raies en fonction de l'énergie des électrons nous montrons que seules des observations à très haute résolution permettront de contraindre fortement les précipitations d'électrons. La deuxième partie de cette thèse présente la première modélisation de l'émission H Lyman alpha d'un Jupiter chaud jamais réalisée. Si elle était détectée, cette raie permettrait de caractériser l'environnement des planètes extrasolaires. L'émission de l'étoile est beaucoup plus intense que celle de la planète, ce qui rend la détection de la raie planétaire très difficile. Les seules estimations de contraste qui avaient été réalisées jusqu'à présent découlaient d'extrapolations basées sur l'émission de Jupiter. Nous introduisons ici des outils appropriés au calcul des émissions des Jupiter chauds, en tenant compte des spécificités de leur haute atmosphère, et notamment leur forte ionisation et leurs températures qui dépassent les 10 000 K. Nous évaluons l'émission Lyman alpha de deux Jupiter chauds, en tenant compte de plusieurs sources d'excitation des particules : les émissions aurorales et thermiques sont calculées, ainsi que l'émission excitée par le rayonnement de l'étoile. Nous montrons que, dans le cas du Jupiter chaud HD 209458b, la détection de l'émission planétaire n'est pas possible avec les instruments actuels. En revanche la raie Lyman alpha du Jupiter chaud HD 189733b semble pouvoir être détectée avec l'instrument STIS du télescope spatial Hubble. / The first part of this thesis describes a modeling of the auroral emission of Jupiter in the ultraviolet. The aim of this work is to quantify how these emissions allow to constrain the energy of the electrons that precipitate in the upper atmosphere of the planet at polar latitudes. Two kinds of emissions are studied : the one of the Lyman alpha line of atomic hydrogen and those of H2. The auroral electron precipitation is modeled with a kinetic transport code. The H Lyman alpha line profile and intensity are obtained with a radiative transfer code. Synthetic spectra of H2 emissions are calculated. By studying the variability of the lines as a function of the energy of the precipitating electrons, we show that only high resolution observations will allow to put strong constraints on the electron precipitation. The second part of this thesis presents the first calculation of the H Lyman alpha emission of a hot Jupiter ever realized. If it were detected, this line would allow to constrain the environment of the extrasolar planets. The stars' emission is much more intense than that of the planet, which transforms the detection of the planetary line in a very difficult challenge. Up to now, the only estimations of contrast that have been realized are based on extrapolations of Jupiter's emission. Here we present tools that are adequate to calculate the emission of hot Jupiters. They take into account the particularities of their atmosphere, like their high ionization degree and their temperatures that exceed 10,000 K. We calculate the Lyman alpha emission of two hot Jupiters, by taking into account the auroral, thermal and dayglow contributions. In the case of the hot Jupiter HD 209458b, we show that current facilities do not allow to detect the planetary emission. On the other hand, the detection of the Lyman alpha line of the planet HD 189733b seems to be within reach of the Hubble Space Telescope.

Les travaux présentés dans cette thèse contraignent la masse des neutrinos dans le contexte de 4 modèles de matière noire en utilisant le spectre de puissance du flux transmit dans les forêts Lyman-alpha des quasars distants. Les neutrinos laissent une emprunte sur les grandes structures dans l'Univers à travers l'échelle à laquelle ils diffusent, qui se manifeste comme un déficit de fluctuations de densité de matière sur des distances inversement proportionnelles à leur masse. De l'ordre de quelques Mpc, ces échelles peuvent être sondées par les forêts Ly-$alpha$ qui tracent la densité d'hydrogène neutre atomique suivant la ligne de visée du quasar en arrière-plan. J'utilise le spectre de puissance Ly-$alpha$ construit grâce à deux relevés de grandes structures:les $13,821$ spectres optiques de quasars basse-résolution de la 9ème publication des données du SDSS/BOSS à 12 redshifts de $langle z rangle = 2.2$ à $4.4$; ainsi que la centaine de spectres de quasar haute-résolution du relevé XQ-100 du VLT à $langle z rangle = 3.20, 3.56$ et $3.93$. Ces deux relevés nous permettent de sonder les échelles de $k geqslant 0.001~s/mathrm{km}$ à $k leqslant 0.02$ et $k leqslant 0.07~ s/mathrm{km}$ respectivement.Modéliser le spectre de puissance Ly-$alpha$ nécessite résoudre le régime non-linéaire de formation des structure et modéliser le gaz inter-galactique dans les simulations cosmologiques hydrodynamiques destinées à cet effet. Je contrôle pour plusieurs incertitudes systématiques liées à ces simulations. Dans un premier temps, je quantifie la variance d'échantillonnage à l'aide de simulations tournées avec différentes conditions initiales. Dans un second temps, je teste la validité d'une méthode permettant de construire le spectre de puissance à partir de simulations plus petites et moins résolues. Pour ce, j'ai tourné une simulation évoluant $2 times 2048^3$ particules de matière noire et de baryons dans un covolume de $(100~h^{-1}mathrm{Mpc})^3$. Ce travail a permit à notre groupe d'améliorer les contraintes sur la masse des neutrinos de $sum m_nu < 0.15~mathrm{eV}$ établie précédemment à $sum m_nu < 0.12~mathrm{eV}$ à $95%$ de vraisemblance. J'ai ensuite tourné mes efforts vers l'implémentation de neutrinos stériles en tant qu'un candidat matière noire non-froide dans les simulations. En particulier, j'ai produit les contraintes les plus fortes (au moment de la publication) sur la masse des neutrinos stériles en tant que matière noire tiède: $m_nu lesssim 25~mathrm{keV}$ à $95%$ de vraisemblance. J'ai étendu l'étude dans le contexte d'une matière noire mixte et contraint l'abondance relative de la composante tiède par rapport à la froide. Enfin, j'ai complété ce travail en permettant une résonance dans la production des neutrinos stériles, réduisant ainsi leur échelle caractéristique de diffusion et refroidissant la matière tiède qu'ils incorporent. A ce but, j'ai initié une collaboration avec une équipe de physiciens théoriques impliqués dans les recherches astrophysiques de ces neutrinos stériles dits produits par résonance dans des objets riches en matière noire. Notre jeune collaboration a établi les premières contraintes sur leur masse en utilisant le spectre de puissance Ly-$alpha$. / In the work presented in this thesis, I use the power spectrum of the transmitted flux in the Lyman-alpha (Ly-$alpha$) forest of distant quasars to constrain the mass of cosmological neutrinos in the context of four seperate projects. Neutrinos leave a signature imprint on large scale structures in the Universe through their free-streaming, which manifests as a deficit of matter density fluctuations on typical length scales that are inversely proportional to their rest mass. This typical free-streeming scale, of order a few Mpc, can be probed by Ly-$alpha$ forests which are imprints of the neutral atomic Hydrogen density along the background quasar's line-of-sight. I use the Ly-$alpha$ flux power spectrum from mainly two large scale structure surveys: the $13,821$ low-resolution quasar spectra from the ninth data release of SDSS (BOSS) in 12 redshift bins from $langle z rangle = 2.2$ to $4.4$; and the $100$ high-resolution quasar spectra from the XQ-100 survey (of the VLT's XShooter spectrograph) in 3 redshift bins, $langle z rangle = 3.20, 3.56$ and $3.93$. This enables us to probe scales from $k geqslant 0.001~s/mathrm{km}$ to $k leqslant 0.02$ and $k leqslant 0.07~ s/mathrm{km}$ respectively.Modeling the flux power spectrum requires solving the non-linear regime of structure formation and the intergalactic gas in the cosmological hydrodynamics simulations that are used to that effect. I controlled for several of many systematic uncertainties related to the simulations. First, I ran simulations with different initial conditions to quantify the sampling variance. I then tested the accuracy of a splicing technique that we use to construct the flux power spectrum from lower size and lower resolution simulations. This required producing a complete run of a $(100~h^{-1}mathrm{Mpc})^3$ comoving cube containing $2 times 2048^3$ dark matter particles and baryons. This enabled our working group to enhance the previously established constraints on the sum of neutrino masses from $sum m_nu < 0.15~mathrm{eV}$ to the most stringent constraint to date $sum m_nu < 0.12~mathrm{eV}$ with $95%$ confidence. I then worked on implementing right-handed neutrinos in non-cold dark matter cosmological frameworks. A substancial amount of work has gone into applying plausible initial conditions that would accurately model the free-streaming effect of these types of particles. I put the most stringest constraints (at the time of publication) on the mass of non-resonantly produced sterile neutrinos as pure warm dark matter candidates, $m_nu lesssim 25~mathrm{keV}$ at $95%$ confidence. I extended this investigation into a mixed warm plus cold dark matter cosmology. Finally, I implement right-handed neutrinos produced in presence of a lepton asymmetry which boosts their production and lowers their free-streaming scale. I started a collaboration with a team of theoretical physicists involved in searching for astrophysical evidence for the existance of such resonantly-produced right-handed neutrinos in dark matter rich systems. Our new-born collaboration has enabled the first ever constraints on their mass using the Ly-$alpha$ forest power spectrum.

Briser la frontière observationnelle de l’Univers lointain suscite de nombreux axes de recherches dans la cosmologie moderne. Exigeantes par la sensibilité demandée, ces observations constituent aussi bien un défi technologique pour les prochaines générations d’instruments qu’une étape nécessaire à la compréhension des différentes étapes d’évolution de l’Univers. Une des étapes importantes est la réionisation du milieu intergalactique, époque charnière marquant la fin des “Âges Sombres”. Déterminer quand et comment ce processus s’est déroulé et quelles ont été les sources l’ayant déclenché et entretenu sont les principales questions motivant ces recherches. Les travaux présentés dans cette thèse participent à l’effort de la communauté scientifique internationale dans la caractérisation de l’histoire de l’époque de la réionisation en recherchant des galaxies à grand décalage spectral vers le rouge (redshift). Après un panorama complet des contraintes observationnelles actuelles sur l’époque de la réionisation, sont ensuite présentés les deux projets ayant fournis les données constituant la matière première de cette analyse. En utilisant une même technique d’imagerie en bande étroite dans le domaine de longueurs d’onde proche-infrarouge, des observations avec l’instrument WIRCAM (CFHT) et d’autres avec l’instrument HAWK-I (VLT) ont permis d’établir des contraintes robustes sur la fonction deluminosité des Emetteurs Lyman-α au redshift z = 7.7. A l’occasion de la présentation du second projet, la problématique de la stratégie observationnelle est abordée, notamment via l’utilisation des amas de galaxies comme lentilles gravitationnelles amplifiant le flux des sources d’arrière-plan. L’absence de confirmation spectroscopique des Emetteurs Lyman-– sélectionnés durant l’analyse des données WIRCAM et l’absence de candidats dans le sondage HAWK-I suggèrent une évolution de la fonction de luminosité des Emetteurs Lyman-– entre les redshifts z = 6.5, telle quedéterminée dans d’autres études, et z = 7.7. La tendance de cette évolution, en luminosité ou en densité de galaxies, ne peut pas encore être déterminée compte tenu de la variabilité des résultats obtenus à plus bas redshift. Si cette évolutions’effectuait en luminosité, ce pourrait être le signe d’une augmentation de l’opacité du milieu intergalactique au rayonnement Lyman-α causée par une plus importante fraction d’hydrogène neutre, ce qui est une signature attendue de la réionisation. / Breaking through the observational frontier of the distant universe motivates numerous scientific cases in modern cosmology. Demanding by the required sensitivity, high-redshift observations provide both a technological challenge for next generation instruments and a necessary step toward the understanding of cosmic evolution. One critical epoch is the reionization of the intergalactic medium bringing to light the end of the so-called “Dark Ages”. Determine when and how this process took place and what were the sources that started and maintained the reionization are the mainquestions motivating this research. The work presented in this thesis contributes to the effort of the internationalscientific community in characterizing the reionization epoch history by searching for galaxies at high redshift. First, I describe the current observational constraints in a comprehensive chapter. Then the two datasets used in that work are presented. From narrow-band observations in the near-infrared with WIRCAM at the CFHT and HAWK-I at the VLT, I put strong constraints on the luminosity function of Lyman-α Emitters at z = 7.7. The best strategy for this type of survey is discussed, in particular with the use of massive galaxy clusters acting as gravitational lenses that amplify the flux from background sources. The lack of spectroscopic confirmation of candidates found with WIRCAM and the lack of candidates found with HAWK-I suggest an evolution of the luminosity function from z = 6.5. This evolution could be either in luminosity or in number density but somewhat discrepant results at lower redshift prevent any definitive answer to this question. If the evolution was mostly in luminosity, it could be interpreted as an increase in the opacity of the intergalactic medium caused by an increased fraction of neutral hydrogen, which is an expected signature of reionization.

Depuis une quinzaine d'années, de nombreuses galaxies sont détectées grâce à leur raie d'émission Lyman-alpha à des décalages spectraux supérieurs à 3. Ces objets, dits Émetteurs Lyman-alpha, nous permettent ainsi de sonder les galaxies dans l'Univers lointain, alors âgé de moins de deux milliards d'années. Bien qu'un grand nombre d'Émetteurs Lyman-alpha ait été détecté jusqu'à présent, leurs propriétés statistiques et physiques sont encore mal contraintes. En effet, les observations sont difficiles à interpréter du fait des effets de transfert résonnant des photons Lyman-alpha dans le milieu interstellaire et de la cinématique du gaz. En plus des observations, des efforts théoriques sont donc nécessaires pour mieux comprendre les caractéristiques physiques de ces objets, leur rôle dans le scénario de formation hiérarchique des galaxies, et leur lien avec l'autre grande populations de galaxies lointaines, les galaxies à discontinuité de Lyman. Cette thèse a pour but de proposer une modélisation originale de cette population d'Émetteurs Lyman-alpha dans le contexte cosmologique. La formation et l'évolution hiérarchique des galaxies est décrite grâce au modèle hybride GALICS, associant une simulation à N corps de matière noire, à des prescriptions semi-analytiques pour modéliser la physique des galaxies. GALICS prédit les propriétés physiques d'un large échantillon de galaxies entre z~3 et 7. Les propriétés de la raie Lyman-alpha sont obtenues grâce au couplage de GALICS avec une librairie de modèles numériques, réalisés avec le code MCLya. Avec cette approche, la fraction d'évasion des photons Lyman-alpha et le profil de la raie émergent des galaxies peuvent ainsi être prédits, en prenant en compte les effets de transfert résonnant des photons Lyman-alpha et la cinématique du milieu. Le modèle prévoit une forte dispersion de la fraction d'évasion des photons Lyman-alpha fesc en fonction de leur taux de formation stellaire. Les galaxies peu massives, formant peu d'étoiles ont une fraction d'évasion Lyman-alpha de l'ordre de l'unité. En revanche, fesc est distribué entre 0 et 1 pour les objets plus massifs, formant intensément des étoiles, selon les propriétés physiques des galaxies. Les résultats du modèle donnent un accord satisfaisant avec la plupart des observations, en particulier les fonctions de luminosité Lyman-alpha et UV entre z~3 et 7. Le modèle parvient à reproduire conjointement les propriétés UV des galaxies sélectionnées en UV (galaxies à discontinuité de Lyman) et celles des Émetteurs Lyman-alpha. Nous trouvons que les Émetteurs Lyman-alpha sont des galaxies de masse modérée présentant des profils de raie asymétriques, en bon accord avec les données observationnelles. Le modèle prévoit notamment une forte abondance de galaxies de faible luminosité Lyman-alpha. Ces objets peu lumineux seront une des cibles privilégiées du spectrographe intégral de champ MUSE, qui sera prochainement installé au VLT. Dans le but d'aider à la préparation des futurs relevés que MUSE effectuera, des champs fictifs d'Émetteurs Lyman-alpha ont été construits grâce au modèle pour fournir des prédictions, notamment en terme de comptages et de variance cosmique. / Many galaxies have been detected at high redshift since the late nineties thanks to their strong Lyman-alpha emission line. These objects, knows as Lyman-alpha Emitters, allow us to probe galaxies in the first two Gigayears of the Universe. Although a large amount of detections, their statistical and physical properties are still poorly constrained. Indeed, observations are difficult to interpret, mainly due to line transfer effects in the interstellar mediaum and gas kinematics. In addition to observations, theoretical efforts are needed to reach a better understanding of the properties of these objects, their role in the scenario of hierarchical formation of galaxies, and their link with the other main high redshift galaxy population, the so-called Lyman Break galaxies. In this thesis, we model Lyman-alpha Emitters in the cosmological context with an original method. The hierarchical galaxy formation process is described with the GALICS model, which couples a N body simulation of Dark Matter, with semi-analytic prescriptions to model galaxy physics. GALICS can predict the physical properties of a large sample of mock galaxies between z~3 and 7. Lyman-alpha properties are computed thanks to the coupling of GALICS with a library of numerical tranfser models, generated with the MCLya code. With this approach, Lyman-alpha photons escape fractions and line profiles can be predicted, taking into account resonnant scattering effects and gas kinematics. We find a strong dispersion of the escape fraction with respect to the star formation rate of the galaxies. The model predictions are in good agreement with most of the observationnal data, especially the Lyman-alpha luminosity functions between z~3 and 7. The model is able to reproduce UV properties of UV and Lyman-alpha selected galaxies. We find that Lyman-alpha Emitters have moderate mass on average and display asymetric line profiles, as it is shown by the observations. In particular, we predict a strong abundance of faint Lyman-alpha Emitters. These objects will be a main target of the forthcoming MUSE instrument that will be installed at VLT. In order to help preparing future surveys with MUSE, mock fields of Lyman-alpha Emitters have been created with our model to make predictions, especially in terms of number counts and cosmic variance.

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. 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. Nous avons ainsi modifié la résolution du système chimique; développé une nouvelle paramétrisation de l'absorption par O2 du rayonnement solaire ultraviolet à Lyman- (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. 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- 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. 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.