L'un des problèmes les plus intéressants de la physique moderne est celui de la matière noire de l'Univers, qui reste de nature insaisissable. L'existence de la matière noire est inférée par des preuves indirectes telles que les mesures des courbes de rotation des galaxies, des dispersions de vitesse des galaxies dans les amas galactiques et les effets de lentille gravitationnelle. Ces observations fournissent des preuves sur l'existence d'une matière invisible dominant notre Univers. Il n'existe cependant aucune indication claire sur sa nature. Les observations actuelles en font le constituant dominant de l'Univers, par opposition à la matière baryonique "normale". Deux solutions sont proposées pour résoudre ce mystère. La première est basée sur une modification de la loi de la gravité comme dans la dynamique newtonienne modifiée qui pourrait expliquer les divergences entre prédictions et observations de la dynamique des masses dans l'Univers. L'autre idée consiste à proposer l'existence d'une nouvelle particule massive qui n'interagit pas avec la lumière (appelée WIMP pour "Weakly Interactive Massive Particle"), mais pouvant influencer la matière lumineuse par gravité. Plusieurs théories proposent l'existence de telles nouvelles particules. La plus célèbre de ces théories est la supersymétrie, qui est une extension du Modèle Standard de la Physique des Particules. Si l'un des partenaires supersymétriques des bosons neutres est une particule stable et le plus léger de tous les superpartenaires, il devient alors un candidat idéal pour la matière noire. La supersymétrie est en général le cadre le plus favorable pour l'existence de la matière noire. / The early history of modern physics have been full of problems fixed with un-orthodox yet brilliant solutions. From the Hydrogen electron orbit, black bodyradiation and the ultraviolet catastrophe, to the perihelion precession of Mercury.Quantum Mechanics and General Relativity not only solved these problems butthey opened the path to new observations and predictions about the Universe welive in and the introduction of new problems to be solved.One of the more modern problems we are facing today in physics is the largediscrepancy among measurements of the visible mass in the Universe and the pre-dictions of laws of gravity. An indisputable mass of evidence from different partsof observational cosmology is showing again and again that the observed lumi-nous mass in the Universe constitutes a tiny fraction of the matter that actuallyexists. The proposed solutions of this problem comes in two completely differentflavors. One proposed solution is that the laws of gravity are not the same in thelimit of tiny accelerations. Theories of modified gravitational dynamics proposea non-linear term in Newton law of gravity that becomes relevant at small accel-erations which in turn can explains the missing matter. The other solution to themissing matter is the introduction of new type of matter that does not interact withlight, making it invisible yet inferred to exist by its gravitational effect. The newmatter becomes a new elementary particle to be added to list of already knownelementary particles. While there are many candidates to this new elementaryparticle the favored one is called a WIMP or Weakly Interacting Massive Particle.

NIL

L'étude des propriétés actuelles des galaxies permet à la fois de comprendre les processus physiques de leur évolution passée et le contenu de l'Univers en matière visible et noire. Les moyens d'observations actuels permettent de quantifier de façon statistique les propriétés morphologiques et cinématiques des galaxies, en fonction de leur environnement. Afin d'interpréter en détail ces propriétés observées, nous avons modélisé la formation et l'évolution passée des galaxies au moyen de simulations numériques. Les codes utilisés, en partie déjà existants et en partie développés au cours de la thèse, modélisent la dynamique gravitationnelle des étoiles et de la matière noire, l'hydrodynamique du gaz interstellaire, et la formation stellaire. Les résultats de ces simulations peuvent alors être comparés quantitativement aux observations, dans plusieurs domaines de longueurs d'ondes.<br /><br />Dans une première partie, nous étudions la morphologie des galaxies isolées. Nous montrons que la plupart des galaxies spirales possèdent une concentration centrale allongée, appelée barre, qui devrait être détruite rapidement par échange de moment angulaire avec le gaz interstellaire. La persistance des barres depuis dix milliards d'années ne peut s'expliquer que si elles ont été reformées, ce qui nécessite l'accrétion de grandes quantités de gaz diffus par les galaxies. L'étude d'autres types d'asymétries, les modes m=1, vient renforcer cette conclusion, et nous déduisons le taux caractéristique d'accrétion de gaz par les galaxies au cours des derniers milliards d'années, de plusieurs masses solaires par ans. Une importante contrainte pour les modèles cosmologiques en découle : l'Univers doit contenir suffisamment de baryons, et ceux-ci ne doivent tous former des étoiles rapidement dans l'Univers jeune, pour que les galaxies continuent à accréter quelques dizaines de pourcents de leur masse à des redshifts inférieurs à z=1.<br /><br /> Les galaxies ont donc grandi par accrétion progressive de gaz diffus, mais les collisions et fusions de galaxies ont également joué un rôle important dans leur évolution. Il est déjà établi que les fusions de galaxies de masses comparables détruisent les disques spiraux et forment des galaxies elliptiques, de forme sphéroïdale. Nous montrons que même la fusion avec de petites galaxies affecte fortement les disques, et qu'un grand nombre de fusions détruisent les galaxies spirales pour en faire des galaxies lenticulaires ou elliptiques ; l'accrétion de gaz évoquée précédemment peut alors expliquer la reformation ultérieure d'un disque galactique fin. Nous avons également établi qu'une succession de fusions mineures avec des galaxies naines peut avoir les mêmes effets qu'une fusion majeure unique avec une galaxie massive, et former une elliptique. Ce nouveau mécanisme de formation amène à réviser l'interprétation des observations sur le contenu en matière noire des galaxies elliptiques, ce qui pourrait déboucher sur des contraintes importantes sur la nature même de cette matière noire.<br /><br />D'autres évènements se produisant lors des collisions de galaxies (formation d'anneaux, naissance de galaxies naines dans les débris de marée) ont été étudiés à l'aide de nos modèles numériques. Ils permettent de contraindre les propriétés de la matière noire en traçant son comportement dynamique dans les collisions de galaxies. La confrontation des modèles aux données observationnelles tend à prouver qu'une partie de la matière noire est mobilisée les débris de collisions et de marées galactiques. Bien qu'une confirmation reste à établir à l'aide d'observations à plus haute résolution, cela indique une dynamique collisionnelle et dissipative pour une partie de la matière noire, probablement sa composante baryonique, favorisant les modèles de matière noire sous forme de gaz froid.<br /><br />La comparaison statistique des observations et des modèles numériques à haute résolution a donc permis d'obtenir un certain nombre de contraintes sur les processus principaux d'évolution des galaxies et sur la matière contenue dans l'Univers. A l'avenir, les possibilités de modélisation et d'observation des galaxies de l'Univers lointain permettront de comprendre encore mieux les mécanismes d'évolution des galaxies, ainsi que la formation stellaire à grande échelle, donc l'histoire des bayons contenus dans l'Univers. Cela permettra d'établir des contraintes plus précises sur les scénarios cosmologiques de formation et d'évolution de l'Univers dans son ensemble.

LA COMPARAISON DES LUMINOSITES APPARENTES DE LOTS DE SUPERNOVAE DE TYPE IA (SNIA) PROCHES (DECALAGE SPECTRAL Z 0.1) ET LOINTAINES (Z 1) PERMET DE PRECISER LA GEOMETRIE DE L'UNIVERS A GRANDE ECHELLE ET DE MESURER LES PRINCIPAUX PARAMETRES COSMOLOGIQUES : LA CONSTANTE DE HUBBLE H 0, LA DENSITE DE MATIERE M ET LA CONSTANTE COSMOLOGIQUE . L'EXPERIENCE EROS2 CONSACRE 10% DE SON TEMPS D'OBSERVATION A LA DETECTION ET L'ETUDE DE SNIA PROCHES. AU PRINTEMPS 1999, LA COLLABORATION A PARTICIPE A UNE RECHERCHE COMMUNE, COORDONNEE PAR LE SUPERNOVA COSMOLOGY PROJECT, QUI A PERMIS DE DECOUVRIR PRES DE 50 SUPERNOVAE, DONT 20 ETAIENT DES SNIA DECOUVERTES AU PLUS TARD 10 JOURS APRES LEUR MAXIMUM DE LUMINOSITE. APRES AVOIR PRESENTE LES PRINCIPALES METHODES DE MESURE DES PARAMETRES COSMOLOGIQUES - CHANDELLES STANDARD, ETUDE DES AMAS RICHES ET ETUDE DES ANISOTROPIES DU RAYONNEMENT DE FOND COSMOLOGIQUE - NOUS DECRIVONS LA PHYSIQUE ET LES PROPRIETES OBSERVATIONNELLES DES SNIA. LA LUMINOSITE MAXIMALE DE CES OBJETS PRESENTE UNE DISPERSION FAIBLE (30%) QUI PEUT ETRE REDUITE EN UTILISANT DES CORRELATIONS AVEC D'AUTRES OBSERVABLES (TAUX DE DECROISSANCE PRINCIPALEMENT). LA SECONDE PARTIE DU MANUSCRIT EST CONSACREE A LA PRESENTATION DE L'EXPERIENCE EROS2, ET DES TECHNIQUES DE DETECTION MISES EN UVRE. NOUS DECRIVONS EN TROISIEME PARTIE L'ANALYSE DES DONNEES DE SUIVI PHOTOMETRIQUE DES SNIA DECOUVERTES AU PRINTEMPS 1999. NOUS DECRIVONS EN PARTICULIER LA CHAINE D'ANALYSE PHOTOMETRIQUE, MISE AU POINT POUR CETTE THESE AINSI QUE LE PROCESSUS D'INTERCALIBRATION DES 10 TELESCOPES DE SUIVI. ENFIN, NOUS EXPOSONS LA TECHNIQUE DE RECONSTRUCTION DE LA LUMINOSITE MAXIMALE ET DU TAUX DE DECROISSANCE DES SNIA. LES CORRELATIONS ENTRE LUMINOSITE MAXIMALE, TAUX DE DECROISSANCE ET COULEUR ONT ETE ETUDIEES. UNE VALEUR DE LA CONSTANTE DE HUBBLE : H 0 = 69 2(STAT.) 7(SYST) A ETE DETERMINEE.

Le travail présenté ici se place dans le cadre de la mesure de la polarisation du rayonnement de fond cosmologique. Nous commençons par rappeler les fondements du modèle standard de la cosmologie, en insistant sur les intérêts de la polarisation du fond diffus pour la cosmologie. Nous décrivons ensuite les expériences Archeops et Planck et leurs détecteurs. L'étalonnage de l'instrument hautes fréquences de Planck nécessite un système optique pour lequel nous avons recherché une surface diffusante et un polariseur adaptés au rayonnement millimétrique. Nous avons ensuite étudié l'influence de différents paramètres instrumentaux sur la mesure de la polarisation, notamment les effets liés aux lobes. Nous montrons ainsi l'importance des constantes de temps et de la calibration relative. Enfin, nous terminons par l'analyse des données d'Archeops, et montrons la présence de nuages galactiques polarisés à 353 GHz à plus de 10%, grâce à une méthode originale d'intercalibration.

Des informations sur la nouvelle physique peuvent être extraites de plusieurs secteurs indépendants et en particulier : les recherches directes du Higgs et de nouvelles particules aux collisionneurs, qui sont entrées dans une nouvelle ère avec le démarrage du LHC, les informations indirectes des données de physique des saveurs, en utilisant les résultats obtenus aux usines à B et récemment aussi au LHC, et enfin les informations indirectes sur la densité relique de mati ère noire et les recherches directes de mati ère noire, en particulier au vu des résultats récents des expériences XENON, CoGENT, CRESST, ... Combiner les informations des différents secteurs est en effet riche d'implications et permet de réduire l'espace des paramètres des scénarios de nouvelle physique. Nous avons démontré l'existence de telles synergies dans le contexte de la supersymétrie pour différents scénarios contraints ainsi que pour un scénario plus g én éral du MSSM (pMSSM).

Les amas de galaxies sont les objets les plus grands gravitationnellement liés dans l'Univers ayant atteint un état d'équilibre. Dans le scénario de formation hiérarchique des structures, dans lequel les petites structures se forment avant les grandes, les amas représentent les objets les plus jeunes. Ils contiennent encore de l'information sur l'effondrement initial de la perturbation de densité qui leur a donné naissance. Les amas possèdent trois composantes majeures: les galaxies, un gaz très chaud et optiquement mince (le milieu intra-amas -- MIA) qui émet dans le domaine des rayons X, et la matière noire. Comme les amas sont dominés par la matière noire, ils fournissent une opportunité unique pour extraire des informations sur cette sorte de matière à travers les forces gravitationnelles qu'elle engendre. La fraction baryonique dans les amas est similaire à celle de l'Univers dans son ensemble. Avec l'information sur la nucléosynthèse primordiale, qui donne des contraintes sur la densité baryonique $\Omega_b$ dans l'univers, il est possible de determiner avec la fraction de baryon dans les amas le paramètre cosmologique de densité de matière $\Omega_m$, qui donne typiquement $\Omega_m$=0.2-0.4. Les amas grandissent par fusion avec d'autres amas de galaxies, ce qui est lié à la distribution globale de matière dans l'Univers. Le MIA est un traceur idéal pour les processus de fusion et permet à travers ses distributions en densité et en température de reconstruire l'histoire des amas, ce qui donne de l'information sur la formation des structures. De plus, la comparaison des caractéristiques des amas distants avec celles des amas proches permet d'étudier l'évolution de la formation des structures. Les amas montrent, comme le prédit la théorie, une forte auto-similarité, ce qui indique que notre compréhension sur la formation des structures est globallement correcte. Les faits mentionnés ici montrent que les amas sont des outils puissants pour étudier la cosmologie et la formation des structures, ce qui sera décrit plus en détail dans ce travail.

Les WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) pourraient être une des composantes principales de la matière noire, et ainsi représenter une part prédominante de la masse de l'Univers. Ils seraient présents à l'échelle galactique sous la forme d'un halo. <br> Plusieurs expériences tentent de détecter directement les WIMPs du halo de notre Galaxie en cherchant à mettre en évidence leurs interactions dans un détecteur cible. Parmi celles-ci, l'expérience EDELWEISS utilise la bolométrie, technique de détection à très basses températures (environ 10 mK) des phonons produits par un dépôt d'énergie dans un absorbeur. Les bolomètres utilisés par EDELWEISS associent à la détection des phonons celle des charges créées par le dépôt d'énergie. Cette double détection permet de rejeter une grande partie du bruit de fond associe aux interactions électroniques. <br> Nous présentons ici l'analyse des données enregistrées avec le premier bolomètre de 320 grammes utilise par la collaboration EDELWEISS. <br> Nous développons en particulier une méthode permettant de déterminer sa masse efficace de détection. Cette méthode est basée sur la modélisation des processus de collection de charge, des étalonnages du détecteur et avec des sources radioactives de 60Co et 252Cf et des simulations de ces calibrations avec le code GEANT. <br> Nous caractérisons aussi la discrimination entre interactions électroniques et nucléaires par des étalonnages avec une source de neutrons, en évaluant l'influence des interactions multiples sur cette discrimination. <br> Nous présentons enfin l'analyse des données de recherche des WIMPs et en déduisons une limite sur la section efficace de diffusion WIMP-nucléon.

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Cette thèse porte sur le problème de la Matière Noire astrophysique et cosmologique.<br /><br />Dans les quatre premiers chapitres sont exposés succinctement le Modèle Standard Cosmologique, les observations démontrant la présence d'énergie et de matière noires, les modèles de matière noire les plus étudies, et diferents modèles cosmologiques ou astrophysiques reposant sur des champs scalaires. Dans les trois chapitres suivants est détaillé un modèle de matière noire bosonique basé sur l'existence d'un champ scalaire complexe et chargé dans U(1). Nous verrons que couple a un potentiel quadratique, un tel champ est susceptible d'expliquer les courbes de rotation des galaxies, tout en conservant depuis la recombinaison un comportement cosmologique de matière. Nous nous intéresserons ensuite au cas du potentiel quartique, et nous montrerons d'une part que son comportement cosmologique est lui aussi relativement bon, et d'autre part qu'il explique bien les courbes de rotation des galaxies spirales de petite taille, si problématiques pour de nombreux modèles de matière noire.