Les développements techniques récents en radioastronomie au sol ont permis l'émergence de nombreux nouveaux projets. LOFAR (le "LOw Frequency ARray") est un interféromètre de réseaux phasés comptant parmi ces nouveaux radiotélescopes géants. Son architecture distribuée à travers l'Europe comprend plusieurs milliers d'éléments regroupés en "stations". Il permet d'étudier l'Univers dans la fenêtre radio ~20-250 MHz, inexplorée avec une très haute sensibilité et de très hautes résolutions angulaire, temporelle et spectrale. La station LOFAR de Nançay a permis à la communauté française de participer aux projets scientifiques "clefs" de LOFAR. Elle a également suscité un développement instrumental original visant à augmenter significativement les performances de LOFAR aux basses fréquences (≤80 MHz) en formant un nouveau réseau géant d'antennes sensibles: la "Super Station LOFAR" (LSS). Le premier volet de cette thèse présente les études de conception et de réalisation d'un démonstrateur pour la LSS à trois échelles: l'antenne élémentaire, le "mini-réseau" d'une vingtaine d'antennes et la distribution globale de 96 mini-réseaux à Nançay. Ce projet est conçu pour être totalement compatible avec le réseau LOFAR et étendre ses performances (en particulier pour ses objectifs (exo)planétaires), et pour constituer un nouvel instrument sensible et autonome à Nançay. Le second volet porte sur le développement d'un mode d'imagerie planétaire avec l'interféromètre LOFAR et son application à l'étude du rayonnement synchrotron des ceintures de radiation de Jupiter. Ce mode a rendu possible la formation des toutes premières images planétaires résolues dans la bande 127 - 172 MHz.

Lorsque le champ magnétique interplanétaire est dirigé vers le Nord, les régions polaires de la magnétosphère terrestre, situées à haute altitude, sont peuplées d'électrons accélérés. L'ionosphère polaire voit quant à elle l'apparition d'aurores. Grâce aux observations magnétosphériques de la mission multi-satellites Cluster et à notre modélisation du transport de particules le long des lignes de force du champ magnétique terrestre B, nous avons montré, au cours de cette thèse, que les électrons à l'origine de ces aurores proviennent de la couche frontière de la magnétosphère. Localisée à très haute altitude, cette couche sépare les milieux terrestre et interplanétaire. Accélérés par des champs électriques parallèles à B, situés à des altitudes aussi bien inférieures que supérieures à celles des satellites, ces électrons précipitent dans l'ionosphère avec des énergies de l'ordre du keV. Ils sont accompagnés par des échappements d'ions ionosphériques et l'ensemble des particules transporte des courants alignés le long de B et dirigés vers la magnétosphère, équivalents à quelques µA/m² aux altitudes ionosphériques. Le système de courant se referme par des courants alignés dirigés vers la Terre, d'intensité comparable, portés par des faisceaux d'électrons étroits et variables. Très alignés le long de B, ces électrons s'échappent de l'ionosphère avec des énergies de ~ 50 eV et déclenchent des instabilités faisceau-plasma à l'origine d'ondes électrostatiques large bande observées par Cluster et reproduites par les modèles.

L'évolution des galaxies est relativement bien contrainte jusqu'au premier milliard d'années de l'Univers. Au delà de cette limite et compte-tenu du faible nombre de sources confirmées à z>6.0, il est difficile de déterminer le rôle joué par les premières galaxies à cette époque. L'objectif de ce travail de thèse était de déterminer l'évolution de la fonction de luminosité des galaxies au cours du premier milliard d'années en se basant sur un échantillon représentatif d'objets à grand redshift (z>4.5) suffisamment brillant pour être observé par les spectrographes actuels. Dans ce but, nous avons réalisé une sélection photométrique ciblée de galaxies à cassure de Lyman dans deux champs de vue : un premier autour de l'amas de galaxies d'Abell 2667 et un second dans un très grand champ vide (le relevé WUDS). L'étude des données prises autour d'Abell 2667 a montré un taux de contamination d'environ 80% de notre échantillon d'objets à z≈8. Nous avons mis en évidence l'existence d'une population atypique de galaxies fortement rougies par la poussière à z≈2, et qui ne peuvent être écartées des échantillons qu'en ajoutant des contraintes dans l'IR lointain. Les observations spectroscopiques ont permis d'identifier un nouveau type de contaminant à bas redshift combinant deux populations stellaires d'âges très différents, et demandant une profondeur photométrique extrême afin de les exclure des échantillons actuels. A partir des échantillons dégagés nous avons pu apporter des contraintes fortes et indépendantes sur la partie brillante de la fonction de luminosité, et ainsi en déduire de façon homogène son évolution au cours du premier milliard d'années de l'Univers.

Le contexte des travaux présentés dans le cadre de cette habilitation à diriger les recherches est celui des environnements plasma planétaires. Je m'attache à montrer comment, par une analyse combinée d'observations in-situ, de simulations numériques et de traitement statistique, on peut dégager des scénarios cohérents de l'évolution de ces milieux. J'aborde ainsi trois domaines d'application distincts. Tout d'abord, à la suite de mes travaux de thèse, un modèle d'accélération de particules dans les plasmas fortement magnétisés et non-homogènes est présenté, avec une application aux régions aurorales terrestres. Je montre ensuite diverses approches, analytiques et numériques, visant à affiner notre compréhension des mesures instrumentales de plasma de basses énergies. Enfin, j'expose des travaux récents concernant la dynamique des magnétogaines planétaires à partir de l'analyse de fluctuations caractéristiques de cet environnement, les modes miroir. Je conclue enfin par la présentation des perspectives de ces travaux ainsi que celles offertes par les outils d'analyse développés ces dernières années au Centre de Données de la Physique des Plasmas.

Les satellites scientifiques sont immergés dans divers environnements spatiaux, entourés par des plasmas qu'ils sont supposés analyser, en utilisant des instruments de types détecteurs de particules. La présence de ces structures dans le plasma conduit à une variété d'interactions satellite/plasma complexes et inter-corrélées. L'environnement spatial influence la structure du satellite qui modifie son environnement. Les instruments embarqués mesurent un environnement perturbé et il est difficile de distinguer le signal naturel des mesures biaisées. Le but est d'étudier et d'améliorer la compréhension des interactions satellite/plasma, au moyen de simulations numériques effectuées avec le logiciel SPIS pour les basses énergies (<100 eV) puisque ces particules sont les plus affectées par les perturbations. L'objectif est de comprendre les mesures de plasmas sur des cas réalistes, en établissant une méthodologie de simulation de ces problématiques. Je simule les interactions ayant lieu entre les missions Solar Probe Plus, Solar Orbiter, Cluster dans leurs environnements respectifs et les mesures associées. L'analyse des résultats obtenus et leurs comparaisons à des données réelles permettent de comprendre les différents cas de figure et de valider la méthodologie développée au cours de cette thèse.

La détection et la caractérisation d'exoplanètes apparaissent clairement comme des thèmes centraux de l'observation astronomique pour les années à venir. Les projets spatiaux ou au sol sont nombreux (HARPS, CoRoT, Kepler, JWST, SPHERE...), mais les études théoriques visant à l'analyse et à la compréhension des données recueillies et à venir sont nécessaires. Durant cette thèse j'ai étudié divers processus physiques affectant la structure interne et l'évolution des planètes géantes, aussi bien au sein, qu'à l'extérieur de notre système solaire. J'ai notamment modélisé en détail: -L'impact de l'irradiation intense émise par l'étoile sur l'atmosphère d'une planète à faible distance orbitale, et l'effet induit sur l'évolution interne de cette planète. -Le couplage par dissipation de marée de l'évolution orbitale et thermique d'une planète interagissant avec sa proche étoile parente. -L'effet de la déformation due aux marées sur les paramètres observables d'une planète en transit grâce au suivi photométrique de son passage devant l'étoile. -L'incidence sur la structure et l'évolution d'une diminution de l'efficacité du transport de chaleur par convection due à un gradient d'éléments lourd dans l'enveloppe gazeuse d'une planète géante, conduisant au phénomène de convection double-diffusive. A travers l'étude des ces divers processus, j'ai développé différents modèles analytiques et codes numériques qui sont à la fois flexibles et robustes, et qui permettent maintenant d'étudier certaines propriétés des nouveaux objets substellaires détectés à mesure qu'ils sont découverts.

Cette thèse traite de l'étude des mécanismes de formation et de la composition d'équivalents d'aérosols de Titan, appelés tholins. L'étude de la phase gazeuse a permis d'identifier différents précurseurs d'aérosols, en particulier des espèces azotées telles que les imines et les nitriles, qui pourraient être un premier pas dans la transition gaz-solide. L'étude des propriétés infrarouge des tholins permet de fournir la dépendance en fonction de la longueur d'onde (du lointain au moyen infrarouge) de l'absorption des tholins. L'étude de la composition chimique des aérosols a permis de remonter à leur structure polymérique des tholins et de détecter la présence d'azote en grande quantité dans leur structure. La dernière partie de cette thèse comporte également une comparaison entre la chimie induite par différentes sources d'énergie De manière générale, cette thèse propose lorsqu'elle est possible une comparaison entre les données obtenues en laboratoire et les observations de Titan.

Les nuages de cristaux CO2 sur Mars sont issus de la condensation du constituant majoritaire de l'atmosphère (95% de CO2). De nombreuses études théoriques suggèrent que ces nuages pourraient avoir une influence sur le climat martien actuel et qu'ils ont sans doute joué un rôle significatif au cours de son évolution passée. Seulement récemment, des contraintes précises sur la taille des cristaux qui les composent et leur opacité ont été obtenues après leur découverte dans la mésosphère. C'est dans ce cadre que nous nous sommes intéressés à la modélisation de ces nuages avec pour ambition de caractériser la microphysique de condensation d'un gaz majoritaire dans une atmosphère raréfiée. Nous avons mis au point un modèle de croissance des cristaux tenant compte de la différence de température entre la surface du cristal et son environnement, différence qui s'avère importante dans le cas d'une vapeur majoritaire. Un modèle de microphysique de ces nuages à une dimension a été ensuite développé pour simuler leur formation dans la mésosphère. Grâce à ce modèle, nous sommes maintenant en mesure d'expliquer les faibles durées de vie ces nuages ainsi que leur comportement diurne. Nous montrons qu'il est possible de reproduire la taille de leurs cristaux, mais pas leur opacité tant que ceux-ci sont supposés se former à partir des particules minérales issues du régolite. Des scénarios d'apport exogène de noyaux de condensation ont été étudiés et ont permis de simuler des nuages plus denses conformes aux observables. Ce nouveau modèle de microphysique est appelé à rejoindre des modèles de climat et de météorologie martiens actuellement en développement.

Chaque année sur Mars, en automne et hiver, une partie importante de l'atmosphère passe de l'état gazeux à solide. Ce condensat, principalement du CO2 solide, s'accumule au sol sous forme de neige, givre ou glace. Cela se produit aux plus hautes latitudes, où les températures baissent suffisamment grâce à la nuit polaire pour provoquer ces dépôts qui disparaissent au retour du soleil au sortir de l'hiver. Les mécanismes de formation de ces glaces, leurs propriétés microphysiques ou encore leur évolution durant la nuit polaire puis avec l'insolation sont encore peu connus. Au cours de cette thèse un dispositif expérimental a été créé pour former et étudier en laboratoire des glaces de CO2 de différentes textures, en conditions analogues à Mars. Le dispositif permet de suivre et contraindre plusieurs paramètres thermodynamiques, observer visuellement l'évolution de l'échantillon et le caractériser spectralement. Les résultats amélioreront la compréhension du cycle du CO2 et les données acquises par les sondes spatiales martiennes.

La couche D" est une des zones les plus hétérogène de la Terre, abritant des structures mal comprises, probablement à l'origine de la dynamique globale du manteau. Les méthodes actuelles de tomographie sismique ne résolvent pas correctement cette région. La résolution des images de la structure interne de la Terre est fortement liée à la localisation précise des séismes, ainsi qu'à la connaissance du contenu fréquentiel des ondes sismiques. Cette thèse a pour objectif la construction d'une base de données globale de temps de trajet des ondes, mesures utilisées pour l'élaboration des images tomographiques. Notre méthode utilise une détermination plus précise de la profondeur des séismes permettant d'améliorer la mesure des temps de trajet. Pour une meilleure évaluation du contenu fréquentiel, ces mesures sont réalisées dans plusieurs gammes de fréquence. Une nouvelle approche de calcul de corrections visant à éliminer la complexité de la croûte est également présentée. Enfin, une imagerie préliminaire est présentée aux échelles régionale et globale sous l'approximation de la théorie des rais, avant une description plus complète par l'approximation de Born.