La physique des supernovae requiert la connaissance soit des phénomènes complexes hydrodynamiques dans la matière dense (comme le transport d'énergie et des neutrinos, le traitement du choc) soit de la microphysique liée à la physique des noyaux et de la matière nucléaire dans la matière dense et chaude. Dans le cadre de la théorie des supernovae de type II, la plus part des simulations numériques qui simulent l'effondrement du coeur de supernova jusqu'à la formation et la propagation de l'onde du choc n'arrive pas à reproduire l'explosion des couches extérieures des étoiles massives. La raison pour cela pourrait être due soit aux phénomènes hydrodynamiques comme la rotation, la convection, ou bien la relativité générale, soit aux processus microphysiques qui ne sont pas très bien connus dans ce domaine de densités, températures et asymétries. Le but de ce travail de thèse est d'étudier l'effet de certaines processus microphysiques, en particulier les processus électro-faibles, qui jouent un rôle fondamental pendant l'effondrement gravitationnel, et d'analyser leur impact avec une simulation hydrodynamique. Parmi les processus microphysiques qui interviennent lors d'un effondrement de supernova, le plus important processus électro-faible est la capture électronique sur les protons libres et sur les noyaux. La capture est essentielle pour déterminer l'évolution de la fraction leptonique dans le coeur pendant la phase de neutronisation. Elle a un impact sur l'efficacité du rebond et, par conséquent, sur l'énergie de l'onde du choc. De plus, l'équation d'état de la matière et les taux de capture électronique sur les noyaux sont modifiés par la masse effective des nucléons dans les noyaux, due aux correlations à multi-corps dans le milieu dense, et à sa dépendence de la température. Après une introduction générale qui contient une revue de la phénoménologie des supernovae en appuyant sur la nécessité de la connaissance des données nucléaires pour les simulations numériques, dans la première partie de la thèse les aspects nucléaires abordés dans ce travail sont présentés. Le Chapitre 2 est constitué par une courte introduction sur les concepts importantes qui sont développés dans la Partie I et utilisés dans la Partie II de la thèse; en particulier: la théorie du champ moyen, de l'appariement en approximation BCS, la définition de masse effective en connexion avec la densité des niveaux et l'énergie de symétrie. Dans le Chapitre 3, un modèle nucléaire dont le but est d'améliorer la densité d'états autours du niveau de Fermi dans les noyaux est présenté. On a inclu dans l'approche de la fonctionnelle de la densité une masse effective piquée en surface qui simule certains effets au delà de Hartree-Fock. Cela a été possible en ajoutant un terme à la fonctionnelle de Skyrme qui puisse reproduire l'augmentation de la masse effective et de la densité d'états à la surface de Fermi, comme attendu par les données expérimentales. On a étudié l'impact de ce nouveau terme sur les propriétés de champ moyen dans les noyaux 40Ca et 208Pb, et sur les propriétés d'appariement à température nulle et à température finie dans le noyau 120Sn. On a aussi commencé des nouveaux calculs pour évaluer la dépendance en température de la masse effective dans l'approche microphysique de la RPA, dont les résultats préliminaires sont montrés dans l'Appendice D. Cette partie nucléaire est complétée par une appendice (Appendice B), qui donne les détails des paramétrisations de Skyrme utilisées dans le texte, et par l'Appendice C qui analyse la dépendence de la température de la masse effective en connection avec le paramètre de densité des niveaux qui peut être extrait par les expériences de physique nucléaire. La deuxième partie de la thèse est dediée aux modèles de supernova sur lequels j'ai travaillé. On présente les résultats obtenus avec un approche à une zone, et deux modèles monodimensionnels en symétrie sphérique: newtonien et en relativité générale. Bien que un modèle en symétrie sphérique n'est pas capable de saisir tous les aspects complexes du phénomène de supernova, et les observations des vitesses des étoiles à neutrons ou des inhomogéneitées des éjecta requièrent l'inclusion dans les simulations des effets multidimensionnels, un modèle monodimensionnel permet un premier étude détaillé de l'impact des différentes données microphysiques en focalisant l'analyse sur l'incertitude des données de physique nucléaire. Après une introduction générale faite dans le Chapitre 4 qui décrit les principals ingrédients des différentes simulations numériques (comme le traitement du choc et le transport de neutrinos), les codes sur lequels j'ai travaillé sont illustrés en détail. Le Chapitre 5 présente un modèle à une zone, où le coeur de supernova a été approximé par une sphère de densité homogène. Bien que ceci est un modèle simple, il est capable de reproduire de façon qualitative (et quantitative dans ses ordres de grandeur) la "trajectoire" d'effondrement (i.e. l'évolution des grandeurs thérmodynamiques le long de l'effondrement). Dans ce cadre, on a évalué l'impact de la dépendance en température de l'énergie de symétrie (via la dépendance en température de la masse effective) dans la dymanique du collapse, et on a montré que, en incluant cette dépendance en température, la deleptonisation dans le coeur est systématiquement réduite et l'effet sur l'énergie du choc est non-négligeable. Ces résultats nous ont conduit à effectuer des simulations plus réalistes, en employant un code monodimensionnel newtonien en symétrie sphérique, avec transport des neutrinos. La description de ce code, développé par P. Blottiau et Ph. Mellor au CEA,DAM,DIF, est l'object du Chapitre 6. On a inclu dans l'équation d'état dérivée par Bethe et al.(BBAL), aussi utilisée dans le code à une zone, la même paramétrisation de la masse effective, qui agit à la fois sur les Q-valeurs des taux de capture et sur l'équation d'état du système. Les résultats de ces simulations ont confirmés ceux qui avaient été obtenus avec le code one-zone, c'est à dire la reduction systématique de la deleptonisation dans le coeur si on inclue la dépendance en température de l'énergie de symétrie. De plus, on en a estimé l'impact sur la position de la formation de l'onde du choc, qui est déplacée vers l'extérieur d'une quantité non-négligeable. On a aussi travaillé pour inclure dans le code l'équation d'état plus récente de Lattimer et Swesty. Enfin, le Chapitre 7 décrit un code, à l'origine développé par le groupe de Valence, écrit en rélativité générale et qui utilise un approche moderne pour le traitment du choc (la "capture du choc"). Bien que ce modèle ne contient pas le transport des neutrinos, l'équation de l'évolution de la fraction neutrinique est déjà écrite avec un schema multi-groupe qui permet une première analyse spectrale des neutrinos. On étudie l'effet de l'équation d'état dans la dynamique d'effondrement ainsi que l'impact de la capture électronique. Une versione newtonienne a été aussi implémentée et les résultats obtenus sont en accord avec la littérature. Cette partie est complétée par plusieurs appendices. Dans l'Appendice A, les différentes unités de mesure employées dans les codes sont listées. Les Appendices E et F sont dédiées à deux équations d'état: la prémière est celle d'un gas de neutrons, protons et électrons; la deuxième décrit l'équations d'état de Lattimer et Swesty et les modifications qu'on a apportés pour corriger une erreur dans la définition de l'énergie de liaison des particules alpha et pour étendre l'équation d'état à des densités plus basses. Enfin, l'Appendice G détaille les processus des neutrinos implémentés dans les simulations. Le développement des codes numériques pour simuler l'effondrement gravitationnel de supernova effectué dans ce travail de thèse est apte pour tester les propriétés de la matière et peux constituer un outil pour des projets de recherche futurs.

Cette thèse est consacrée à l'étude des propriétés des oscillations quasi périodiques au kilo Hertz (kHz QPO) dans les systèmes binaires X de faible masse. Pour détecter les kHz QPO, mesurer leurs paramètres et suivre leur évolution dans le temps, j'ai développé des méthodes d'analyse qui s'appliquent aux données acquises par le satellite Rossi X-ray Timing Explorer (RXTE). J'ai validé ces méthodes sur des données simulées. L'analyse des données de sept sources observées pendant 15 ans avec l'instrument Proportional Counter Array a mis en évidence la chute de cohérence des oscillations au-delà de 700-850 Hz pour tous les systèmes étudiés. Ce résultat obtenu par les précédentes études sur les sources 4U 1636-536, 4U 1608-52, 4U 1728-34, 4U 1735-444 et 4U 1820-303 est confirmé en utilisant un ensemble de données plus important. Cette chute de cohérence est observée pour la première fois pour les systèmes 4U 0614+09 et Aquila X-1. Dans l'hypothèse où celle-ci est la signature de la dernière orbite stable prédite par la relativité générale, la masse de l'étoile à neutrons est évaluée à 1.9-2.1 M. Cette masse, quoique élevée, est compatible avec certaines équations d'état de la matière super condensée. J'ai étudié la séparation en fréquence entre les kHz QPO jumeaux dans les systèmes 4U 0614+09 et Aquila X-1. Pour le système Aquila X-1, cette séparation en fréquence est mesurée pour la première fois à 280 Hz, proche de la moitié de la fréquence de rotation de l'étoile à neutrons (\mu_spin/2). Pour 4U 0614+09, la séparation est constante à 320 Hz et très différente de la fréquence à 414 Hz de l'oscillation détectée dans un sursaut X observé avec le BAT de SWIFT et assimilée à \mu_spin. Cette séparation est comparable à celle mesurée à partir d'un ensemble de données moins important. Dans le système 4U 0614+09, la séparation en fréquence ne serait pas liée à la fréquence de rotation de l'objet compact. J'ai étudié la distribution des rapports de fréquences des kHz QPO dans les systèmes Sco X-1, 4U 1636-536 et 4U 0614+09. Ces distributions sont piquées autour de 1.5. Je montre pour la première fois que cette distribution piquée est la conséquence directe de la dépendance en fréquence de la significativité statistique des kHz QPO. Du fait de la sensibilité limitée de l'instrument PCA et bien que toujours présents, les kHz QPO jumeaux sont détectés simultanément sur une bande en fréquence étroite, correspondant à des rapports de fréquence autour de 1.5. Ces distributions ne sont donc pas liées à l'existence de fréquences préférées dans le système; une prédiction forte du modèle de résonance.

Ce travail de thèse suit l'apparition récente de ces nouvelles sources intenses et courtes de rayonnement dans la gamme X/XUV que sont les lasers X/XUV à électrons libres (XFEL). Contrairement aux sources optiques qui déposent principalement leur énergie via les électrons libres, les photons X/XUV déposent leur énergie dans la matière par la photoionisation de couches internes avec éjection de photo-électrons, suivie par l'éjection d'électrons Auger et d'électrons de recombinaison à trois corps dans la distribution d'électrons libres. Le chauffage se fait donc par l'intermédiaire de la structure atomique. La forte intensité des XFELs permet de faire jusqu'à un trou par atome dans un solide produisant ainsi, sur une échelle femtoseconde, un état exotique fortement hors-équilibre appelé solide creux. Cet état exotique instable se désexcite via un ensemble de processus atomiques élémentaires. Nous nous sommes intéressés dans cette thèse au développement d'outils permettant de calculer la cinétique des populations atomiques, couplée à la cinétique des électrons libres, pendant la transition à densité ionique constante, de solide à plasma dense en passant par l'état de solide creux, induit par le rayonnement XFEL irradiant une cible solide. Tout le défi ici a été de calculer cette cinétique couplée hors-équilibre entre ces états de la matière de nature très différente. Pour répondre a ce défi nous avons développé deux modèles cinétiques d'interaction XFELsolide, pour lesquels la description d'un solide comme un plasma froid dégénéré nous a permis d'utiliser une même approche plasma pendant l'ensemble de la transition du solide au plasma. L'ensemble de la physique atomique HETL d'intérêt ayant lieu à densité du solide, bien avant la détente de la matière, nous avons développé deux codes associés à ces modèles pour une utilisation à densité ionique constante. Pour aborder l'étude nous nous sommes d'abord concentrés sur la cinétique des électrons liés en supposant une distribution d'électrons libres à l'équilibre (ce qui suppose une thermalisation instantanée des électrons libres). Dans le cadre de l'approche de plasma dense étendue jusqu'au solide, nous avons développé un modèle collisionnel-radiatif généralisé. Cette généralisation passe par l'identification d'un lien entre état solide et plasma au niveau des processus atomiques élémentaires. Le code développé à partir de ce modèle nous a permis d'étudier des résultats expérimentaux et ainsi d'améliorer notre description des effets de densités dans les plasmas denses. Dans une seconde partie nous avons ajouté à l'étude la cinétique des électrons libres en considérant une distribution d'électrons libres hors-équilibre. Le code associé, basé sur la discrétisation de cette distribution et son couplage avec les états liés, nous a permis d'étudier le rôle des processus atomiques élémentaires dans la thermalisation de la distribution d'électrons libres. / This work follows the recent development of the free electron lasers in the X-ray and XUV-ray range (XFEL). Unlike optical sources that deposit their energy via the free electrons, the X/XUV photons deposit their energy directly via photoionization of inner shell electrons with the ejection of photo-electrons, followed by the ejection of Auger electrons and three body recombination electrons in the free electron distribution. The matter is thus heated via the atomic structure. The high XFEL intensity allows one to make up to one hole per atom in a solid, thus producing, on a femtosecond time scale, an exotic state, highly out of equilibrium, called hollow cristal. This unstable exotic state deexcite via a set of elementary atomic processes. In this work we were interested in the development of tools to calculate the atomic population kinetics, coupled to the free electron kinetics, during the transition at constant ionic density, from solid to dense plasma, induced by an XFEL irradiating a solid target. The goal here was to calculate this out of equilibrium coupled kinetics between states of matter having a very different nature. To address this problem we have developed two kinetics models of XFEL interaction with solids. In both these models the description of the solid as a cold degenerated plasma allowed us to use the same plasma approach during all the solid-plasma transition. Considering the fact that all the atomic physics takes place at solid density, way before the matter relaxation, we have developed two codes, associated with these two models, for a use at constant ionic density. To approach this study, we first focused on the bound electron kinetics assuming a free electron distribution at equilibrium (i.e. hypothesis of instantaneous thermalization of the free electrons). In the framework of the dense plasma approach extended up to the solid state, we have developed a generalized collisional radiative model. This generalization goes through the identification of a link between the solid state and the plasma state for the elementary atomic processes. The code associated with this model allowed us to study experimental results and to improve our description of the density effects in dense plasmas. In a second part the free electron kinetics is included in the model with a free electron distribution out of thermodynamic equilibrium. The associated code, based on the discretization of this distribution and its coupling with bound atomic states allowed us to study the role of the atomic elementary processes in the free electron distribution thermalization.

L’étude des plasmas denses et tièdes est un domaine qui suscite aujourd’hui l’intérêt de nombreux groupes de recherche de part son large spectre d’applications. Ce régime de la matière, qui recouvre une densité proche de celle du solide et une température allant de 0.1 à une dizaine d’eV, est encore mal connu et présente une grande complexité de part son caractère partiellement dégénéré (électrons) et partiellement corrélé (ions). Afin d’explorer ce régime, nous proposons de le sonder par spectroscopie d’absorption X près des seuils grâce à une source X ultra-rapide (ps), intense, produite par laser. La spectroscopie d’absorption X près des seuils (XANES, EXAFS) est un diagnostic qui permet l’étude de la structure atomique locale de milieux éventuellement non-cristallins (solides, liquides, plasmas denses et tièdes). Elle nécessite l’utilisation de sources X de large bande spectrale ajustée au seuil d’absorption de l’élément étudié (...) / The possibility of producing, in a controlled way, matter at solid density (1-10 g/cm3) while maintaining it at temperatures ranging from 0.1 to 100 eV has been for a long time a desired goal. At the boundary between condensed matter and plasma physics, the study of matter in the Warm Dense Matter (WDM) regime involves, nowadays, many laboratories worldwide. This state is still poorly understood and presents a very complex character, being partly degenerated (electrons) and partly correlated (ions). To explore this regime, we proposed to probe WDM by X-ray absorption fine spectroscopy with an ultra-fast X-ray source (ps), produced by ultra intense lasers. X-ray absorption fine spectroscopy, specifically XANES and EXAFS spectroscopy, is a diagnostic tool that allows the study of local atomic structures, even in non-crystalline states (solid, liquid, WDM, plasmas). It requires the use of broadband X-ray sources adjusted on the x-ray absorption edge of studied element (...)

La matière dense et tiède (WDM) est un régime caractérisé par une densité proche du solide pour une température avoisinant celle de Fermi. Pour étudier cet état de la matière, dans cette thèse, une expérience d'interférométrie dans le domaine des fréquences est mise en place afin de mesurer la phase et la réflectivité - dans les deux directions de polarisation S et P - d'une onde sonde en réflexion sur un échantillon chauffé de manière très brève par une impulsion laser ultra-courte (sub-100fs). Il est alors porté dans un état hors-équilibre. Une méthode basée sur les mesures de réflectivité est mise en place pour contrôler la forme de l'interface entre le vide et la matière chauffée. Pour des fluences laser de l'ordre de 1 J/cm2, l'hydrodynamique d'un échantillon chauffé est étudiée par la mesure du déplacement de la surface et comparée au code hydrodynamique à deux températures ESTHER. Ensuite, la fonction diélectrique à 800 nm et 400 nm est déduite des mesures expérimentales et certaines quantités en sont extraites comme la densité électronique, la température électronique et les fréquences de collision en régime WDM. Elles sont par la suite comparées avec des modèles couramment utilisés.

La matière dense et tiède (WDM) est un régime caractérisé par une densité proche du solide pour une température avoisinant celle de Fermi. Pour étudier cet état de la matière, dans cette thèse, une expérience d'interférométrie dans le domaine des fréquences est mise en place afin de mesurer la phase et la réflectivité - dans les deux directions de polarisation S et P - d'une onde sonde en réflexion sur un échantillon chauffé de manière très brève par une impulsion laser ultra-courte (sub-100fs). Il est alors porté dans un état hors-équilibre. Une méthode basée sur les mesures de réflectivité est mise en place pour contrôler la forme de l'interface entre le vide et la matière chauffée. Pour des fluences laser de l'ordre de 1 J/cm2, l'hydrodynamique d'un échantillon chauffé est étudiée par la mesure du déplacement de la surface et comparée au code hydrodynamique à deux températures ESTHER. Ensuite, la fonction diélectrique à 800 nm et 400 nm est déduite des mesures expérimentales et certaines quantités en sont extraites comme la densité électronique, la température électronique et les fréquences de collision en régime WDM. Elles sont par la suite comparées avec des modèles couramment utilisés. / The Warm Dense Matter (WDM) regime is characterised by a density close to the solid density and an electron temperature close to the Fermi temperature. In this work, the nonequilibrium Warm Dense Matter is studied during the solid to liquid phase transition induced by an ultra short laser interacting with a solid. A 30 femtoseconds time resolution pump-probe experiment (FDI) is set up, yielding to the measurement of the heated sample complex reflectivity for both S and P polarisation.We have determined a criterion based on the measured reflectivities, which permits to control the interface shape of the probed matter. For pump laser fluences around 1 J/cm2, the hydrodynamics of the heated matter is studied and experimental results are compared to the two-temperatures code ESTHER. Furthermore, the evolution of the dielectric function at 800 nm and 400 nm is inferred from our measurements on a sub-picosecond time-scale. Within the Drude-Lorentz model for the conduction electrons, the dielectric function yields information such as ionisation state, electronic temperature and electron collision frequency.

L’étude du comportement des composantes des intérieurs planétaires dans des conditions extrêmes de pression (megabar) et température (milliers de Kelvin) est essentielle afin de construire des modèles fiables décrivant l’évolution et la structure des planètes. Dans ce travail, nous avons étudié plusieurs composantes par compression par choc laser sur les installations LULI2000 (France) et GEKKO XII (Japon).Nous avons employé des chocs décroissants pour étudier des conditions de haute-pression / haute-température. Afin d’accéder à des conditions de température modérée, nous avons utilisé des techniques de pre-compression statique (couplage compression par choc — cellules à enclumes de diamant) et dynamique (génération de doubles chocs).Nous avons étudié l’équation d’état des mélanges eau-ethanol-ammoniac et de l’eau et ammoniac purs, d’intérêt pour la description des intérieurs des planètes géantes de glace. L’étude de l’ammoniac a été particulièrement délicate en raison de sa forte réactivité et donc de la complexité du design des cibles ; nous présentons les premières données obtenues par choc laser, dans un domaine de pression jamais exploré. Les données des mélanges confirment des calculs ab initio récents basés sur une approximation de mélange linéaire.Nous avons également mesuré la réflectivité des mélanges liquides et de la silice, une composante-clé des intérieurs des planètes terrestres. Nous avons ensuite estimé la conductivité électrique — un paramètre crucial pour modéliser la génération des champs magnétiques planétaires dans les intérieurs via un mécanisme dynamo — de ces composantes.Eau, ammoniac et mélanges eau-ethanol-ammoniac affichent des réflectivités différentes, ce qui suggère que l’eau pure ne peut pas être considérée comme représentative des mélanges planétaires dans les modèles dynamo.Par ailleurs, nous avons apporté une confirmation expérimentale de calculs ab initio récents selon lesquels la conductivité de la silice n’est pas monotone le long d’une ligne isotherme pour des températures modérées.Nos données supportent des calculs qui prédisent qu’une dynamo peut avoir lieu dans les océans de magma dans des super-Terres ainsi que dans la jeune Terre. / Characterising the behaviour of planetary interiors’ components at extreme conditions (megabar pressures, temperatures of a few thousand Kelvin) is essential to build reliable models describing the evolution and structure of planets. In this thesis, we investigated various components on a wide set of conditions using laser-driven shock compression techniques at the LULI2000 (France) and GEKKO XII (Japan) facilities.Single decaying shocks were employed to study high-pressure / high-temperature states. To reach moderate-temperature conditions, closer to planetary interior profiles, we employed static and dynamic pre-compression techniques coupling Diamond Anvil Cells to shock compression and generating double shocks, respectively.We studied the equation of state of water-ethanol-ammonia mixtures and of pure liquid water and ammonia, of interest for icy giant structure models. Pure ammonia measurements have been particularly challenging due to cell design complexity in reason of its reactivity; we provide the first data obtained with laser shocks, in a pressure domain up to now unexplored. Mixtures data are in agreement with recent ab initio calculations based on the linear mixing approximation.We measured the optical reflectivity of liquid mixtures and silica, a key component of rocky planets’ interiors. From reflectivity data we estimated the electrical conductivity of such components — a crucial parameter for modelling the generation of planetary magnetic fields in the interiors via a dynamo mechanism.Water, ammonia, and water-ethanol-ammonia mixtures exhibit different reflectivity (hence conductivity) behaviours as a function of pressure and temperature. This suggests that pure water should not be used in dynamo models as representative of the icy mixtures.Moreover, we provide the first experimental confirmation of recent ab initio studies showing that the conductivity of silica along isothermal lines is not monotonic at moderate temperatures. Our data provide experimental support for the calculations predicting a dynamo action to occur in super-Earths’ and early Earth’s magma oceans.

Ce mémoire porte sur l'étude des étoiles naines blanches de type DB, dont le spectre est dominé par les raies d’hélium neutre. Des travaux récents ont révélé que les paramètres physiques mesurés à l'aide de la méthode dite spectroscopique —notamment la température effective et la masse de l'étoile — posaient problème pour ce type de naine blanche. Nous avons dans cette étude réexaminé un des ingrédients essentiels de cette méthode, soit le calcul de profils d'élargissement Stark des raies d'hélium neutre. Ce problème fut abordé il y a 25 ans par notre groupe de recherche en utilisant la théorie standard de l'élargissement Stark. Les profils semi-analytiques calculés dans le cadre de cette théorie considèrent les électrons comme étant dynamiques et les ions statiques. Avec l'amélioration de la puissance numérique des ordinateurs, d’autres groupes de recherche ont grandement amélioré le traitement de l'élargissement Stark en produisant des simulations numériques décrivant en détail la dynamique et les interactions des perturbateurs (ions et électrons) près de l'émetteur (l'atome d'hélium dans notre cas). Ils n'ont cependant généré de tables de profils Stark, applicables au calcul de spectres synthétiques d'étoiles naines blanches, que pour deux raies de l'atome d'hélium. Dans ce mémoire, nous décrivons la conception de notre propre environnement de simulation incluant certains aspects importants considérés dans les travaux précédents (unification du traitement des ions et électrons, correction pour la dynamique des ions, transition de la contribution des électrons à l'élargissement, du coeur aux ailes du profil, intégration numérique de l'opérateur quantique d'évolution temporelle de l'hélium perturbé par un champ électrique fluctuant, correction de Debye pour la corrélation du mouvement des perturbateurs chargés, variation de densité locale et réinjection de particules) afin de mieux représenter l'environnement dynamique de l'atome d'hélium. Des étapes intermédiaires, comme la construction de l'espace de simulation et le modèle quasi-statique, nous ont permis de valider cet espace de simulation ainsi que le respect de la statistique du système. Une fois ces étapes de validation franchies, nous avons produit des grilles de profils Stark pour les deux raies les plus importantes de l'atome d'hélium dans le domaine du visible, soit He ɪ λ4471 et He ɪ λ4922, pour des températures entre 10,000 K et 40,000 K et des densités électroniques entre 1 × 10¹⁴ cm⁻³ et 6 × 10¹⁷ cm⁻³. Une comparaison avec d'autres résultats publiés démontre que nos calculs rivalisent avec les meilleurs profils obtenus dans le domaine des simulations numériques de l'élargissement Stark. L'élaboration de cet outil ouvre la voie à la création d'une nouvelle génération de modèles d'atmosphères de naines blanches qui nous permettra de raffiner l'analyse spectroscopique de ces objets. / This thesis deals with the study of white dwarf stars of the DB type, whose spectrum is dominated by neutral helium lines. Recent work has revealed that physical parameters — namely the effective temperature and the stellar mass — measured using the so-called spectroscopic technique are problematic for this type of white dwarf. In this study, we re-examine one of the essential ingredients of this method, namely the calculation of Stark broadening profiles of neutral helium lines. This problem was addressed 25 years ago by our research group using the standard Stark broadening theory. Semi-analytical profiles calculated under this theory consider electrons as dynamic and ions as static. With the improvement of computer numerical power, other research groups have significantly improved the treatment of Stark brodening by producing numerical simulations describing in detail the dynamics and interactions of the perturbers (ions and electrons) near the emitter (the helium atom in our case). However, they generated Stark profile tables, applicable to the computation of synthetic spectra for white dwarf stars, for only two lines of the helium atom. In this thesis, we describe the creation of our own simulation environment including some important aspects considered in previous work (unification of ion and electron treatment, correction for ion dynamics, transition of the electron contribution to broadening from the core to the wings of the profile, numerical integration of the quantum operator of the time evolution of helium perturbed by a fluctuating electric field, Debye correction for the correlation of the motion of charged perturbers, local density variation and particle reinjection) in order to better represent the dynamical environment of the helium atom. Intermediate steps, such as the construction of the simulation space and the quasi-static model, allowed us to validate this simulation space and the respect of the system statistics. Once these validation steps were completed, we produced grids of Stark profiles for the two most important lines of the helium atom in the optical, namely He ɪ λ4471 et He ɪ λ4922, for temperatures between 10,000 K and 40,000 K and electronic densities between 1 × 10¹⁴ cm⁻³ and 6 × 10¹⁷ cm⁻³. A comparison with other published results shows that our calculations rival the best profiles obtained in the field of numerical simulations of Stark broadening. The development of this tool paves the way for the creation of a new generation of white dwarf atmosphere models that will allow us to refine the spectroscopic analysis of these objects.

La matière dense et tiède (WDM pour Warm Dense Matter) est caractérisée par des températures proches de celle de Fermi et des densités proches du solide. Cette thèse présente des études expérimentales de la WDM éventuellement hors équilibre électron-ion, à l'aide de la spectroscopie d'absorption X près des seuils (XANES) résolue en temps. Nous avons développé un dispositif expérimental de XANES résolu en temps, basé sur un spectromètre à deux cristaux de Bragg, qui permet d'obtenir d'une part le signal émis par la source X utilisée, et d'autre part le signal transmis à travers un échantillon fin d'aluminium. La comparaison de ces deux grandeurs permet de mesurer l'absorption absolue de l'échantillon. L'échantillon est excité par un faisceau laser ultra-bref afin d'atteindre les conditions thermodynamiques attendues.Le dépôt laser étant réalisé sur les électrons de l'échantillon, les ions restent froids pendant l'interaction. L'équilibration thermique qui suit a une durée attendue de l'ordre de quelques picosecondes. Lors d'une première expérience, nous avons étudié la dynamique des transitions de phase subies par une feuille d'aluminium de 100 nm d'épaisseur, chauffée par un laser de 120 fs, avec un flux relativement élevé (6 J/cm²). La transition solide-liquide a lieu sur une échelle de temps plus faible que la résolution (environ 3 ps). La transition liquide-vapeur atomique a lieu après une vingtaine de picosecondes, en accord avec des simulations hydrodynamiques. Afin d'observer plus précisément la transition solide-liquide, nous avons réalisé une seconde expérience avec des flux plus faibles (< 1J/cm²). La feuille d'aluminium reste dans un état localement structuré aux temps longs. L'observation de la diminution progressive des modulations XANES, correspondant à une perte partielle d'ordre local, permet de déterminer la dynamique de l'augmentation de la température ionique. La comparaison des résultats expérimentaux avec des simulations hydrodynamiques, et de dynamique moléculaire quantique, a montré que le XANES est un diagnostic pertinent de la température ionique pendant et au delà de la fusion, permettant de suivre l'équilibration thermique électrons-ions. Nous avons constaté un temps caractéristique de l'équilibration significativement plus long qu'attendu, ce qui questionne la détermination du taux de collisions électrons-ions dans le régime dense et tiède. Ce même diagnostic a été exploité lors de deux expériences où nous avons étudié la silice comprimée par un choc laser jusqu'à des densités atteignant plus de deux fois celle du solide. Nous avons ainsi pu suivre l'évolution des structures électronique et ionique de la silice. Pour obtenir une meilleure résolution temporelle, nous avons réalisé deux autres expériences en utilisant une source X bêtatron et un laser X à électrons libres. La faisabilité d'expériences de XANES avec des résolutions femtosecondes a ainsi été démontrée. / Warm Dense Matter (WDM) is characterized by temperatures near the Fermi one and densities close to the solid. Experimental studies of WDM eventually out of electron-ion equilibrium are presented in this thesis with the help of time-resolved X-ray Absorption Near Edge Spectroscopy(XANES).We have developed a time-resolved XANES set-up, based on a two-Bragg-crystals spectrometer, allowing to record in one hand the X-ray source emitted signal, and in the other hand the transmitted one through a thin aluminum sample. The absolute absorption of the sample is measured comparing these two signals. The aluminum sample is heated by an ultrafast laser beam in order to reach the required thermodynamical conditions. Note that the energy is deposited on the electrons, whereas the ions keep cold during the interaction. The thermal equilibration follows with an expected picosecond time scale. We performed a first experiment with the aim of studying the phase transitions undergone by a 100 nm depth aluminum foil, heated with a 120fs laser with a high fluence (6 J/cm²). The solid-liquid transition occurs on a time-scale shorter than the experimental resolution (about 3 ps). Le liquid-vapor transition occurs after about 20 ps, consistent with hydrodynamical simulations. In order to study more precisely the solid-liquid transition, we performed a second experiment with the same set-up but lower laser fluences (< 1 J/cm²). The aluminum foil stays in a locally-structured state even after long delays. The dynamics of the ionic temperature increase can be followed watching the progressive lessening of XANES modulations, corresponding to a partial decrease of the local order. Then one can reach the thermal electron-ion equilibration dynamics. The comparison of experimental data with hydrodynamics and quantum molecular dynamics simulations have revealed the relevance of XANES measurements in order to follow the ionic temperature during and above melting. The precision of the measurements allow to notice a significantly longer equilibration time-scale than expected, questioning the electron-ion collision rate determination in the warm dense regime. The same diagnostic has been operated during two experiments in order to study laser-shock compressed silica up to densities doubling the solid one. We have been able to follow the evolution of the electronic and ionic structures of silica. In order to reach a shorter time resolution, we performed experiments with two other X-ray sources : betatron and a X-ray free electron laser. The feasibility of femtosecond time-resolved XANES experiments have been demonstrated.

La matière dense et tiède (WDM pour Warm Dense Matter) est caractérisée par des températures proches de celle de Fermi et des densités proches du solide. Cette thèse présente des études expérimentales de la WDM éventuellement hors équilibre électron-ion, à l'aide de la spectroscopie d'absorption X près des seuils (XANES) résolue en temps. Nous avons développé un dispositif expérimental de XANES résolu en temps, basé sur un spectromètre à deux cristaux de Bragg, qui permet d'obtenir d'une part le signal émis par la source X utilisée, et d'autre part le signal transmis à travers un échantillon fin d'aluminium. La comparaison de ces deux grandeurs permet de mesurer l'absorption absolue de l'échantillon. L'échantillon est excité par un faisceau laser ultra-bref afin d'atteindre les conditions thermodynamiques attendues.Le dépôt laser étant réalisé sur les électrons de l'échantillon, les ions restent froids pendant l'interaction. L'équilibration thermique qui suit a une durée attendue de l'ordre de quelques picosecondes. Lors d'une première expérience, nous avons étudié la dynamique des transitions de phase subies par une feuille d'aluminium de 100 nm d'épaisseur, chauffée par un laser de 120 fs, avec un flux relativement élevé (6 J/cm²). La transition solide-liquide a lieu sur une échelle de temps plus faible que la résolution (environ 3 ps). La transition liquide-vapeur atomique a lieu après une vingtaine de picosecondes, en accord avec des simulations hydrodynamiques. Afin d'observer plus précisément la transition solide-liquide, nous avons réalisé une seconde expérience avec des flux plus faibles (< 1J/cm²). La feuille d'aluminium reste dans un état localement structuré aux temps longs. L'observation de la diminution progressive des modulations XANES, correspondant à une perte partielle d'ordre local, permet de déterminer la dynamique de l'augmentation de la température ionique. La comparaison des résultats expérimentaux avec des simulations hydrodynamiques, et de dynamique moléculaire quantique, a montré que le XANES est un diagnostic pertinent de la température ionique pendant et au delà de la fusion, permettant de suivre l'équilibration thermique électrons-ions. Nous avons constaté un temps caractéristique de l'équilibration significativement plus long qu'attendu, ce qui questionne la détermination du taux de collisions électrons-ions dans le régime dense et tiède. Ce même diagnostic a été exploité lors de deux expériences où nous avons étudié la silice comprimée par un choc laser jusqu'à des densités atteignant plus de deux fois celle du solide. Nous avons ainsi pu suivre l'évolution des structures électronique et ionique de la silice. Pour obtenir une meilleure résolution temporelle, nous avons réalisé deux autres expériences en utilisant une source X bêtatron et un laser X à électrons libres. La faisabilité d'expériences de XANES avec des résolutions femtosecondes a ainsi été démontrée.