Tandis que notre compréhension de l'évolution et de la formation planétaire est encore incomplète, nous sommes à un tournant dans le domaine, grâce à un nombre désormais significatif (au sens statistique) d'exoplanètes caractérisées. La majeure partie de l'information disponible sur ces systèmes est contenue dans les observations de l'étoile hôte. Ma thèse a eu pour objectif de mieux caractériser les planètes géantes en les étudiant de manière cohérente avec leur étoile hôte. En combinant les modèles stellaires et planétaires, je propose une procédure fiable (implémentée dans un nouveau code : SET) pour déduire les paramètres du systèmes : masses, rayons, âge, composition planétaire... J'ai pu notamment comparer différents modèles stellaires afin d'estimer les erreurs intrinsèques et systématiques. Je présente ensuite les résultats de cette méthode pour l'analyse des systèmes CoRoT, parmi lesquels : CoRoT-2 dont la planète massive est trop grande par rapport à ce que les modèles planétaires prédisent; CoRoT-9 dont la planète est une clef importante pour la validation des modèles planétaires théoriques; et CoRoT-18 dont les indicateurs d'âge issus de la gyrochronologie et de l'abondance en lithium sont en désaccord avec les modèles stellaires. Enfin, je détaille le travail que nous avons effectué sur le premier système décou- vert possédant plusieurs planètes en transit, Kepler-9, pour lequel nous avons contraint la composition relative de deux exoplanètes. À l'avenir, SET sera disponible publiquement et pourra servir à l'analyse statistique des exoplanètes et à l'amélioration des modèles théoriques.

Au cours de cette dernière décennie, le domaine de la recherche et l'étude de compagnons froids autour des étoiles du voisinage solaire s'est beaucoup accéléré. L'étude des compagnons stellaires de faible masse et des compagnons naines brunes apportent d'importantes contraintes sur la compréhension de la formation stellaire. L'étude des systèmes planétaires, quant à elle, permet de comprendre la formation de notre propre système solaire. Jusqu'à présent, la technique des vitesses radiales a permis de découvrir la plupart des nouveaux systèmes. Il s'agit d'une méthode indirecte qui ne permet pas l'analyse des photons du compagnon froid. La prochaine étape consiste à analyser directement les photons de compagnons. Pour ce faire, de nombreux projets d'instruments imageurs à haut contraste ont vu le jour récemment. Cette thèse s'inscrit dans la préparation scientifique et le développement de l'un de ces projets: l'instrument SPHERE qui sera installé au Very Large Telescope au Chili en 2012. Dans une première partie, je présente les questions astrophysiques qui motivent la recherche de compagnons d'étoiles ainsi que les deux techniques observationnelles que j'ai utilisé au cours de ma thèse: l'imagerie à haut contraste et la technique des vitesses radiales. Un état des lieux de la recherche des compagnons planétaires, naines brunes et stellaires est également fait. Dans la deuxième partie, je développe les techniques observationnelles ainsi que l'analyse de donnés utilisées. La troisième partie présente une étude sur le désert des naines brunes autour d'étoiles de type solaires sélectionnées dans un échantillon d'étoiles à dérives en vitesses radiales. La quatrième partie développe un travail observationnel qui consiste à essayer de détecter les compagnons planétaires ou naines brunes autour de naines rouges. La dernière partie est consacrée à la présentation de l'instrument SPHERE et à ma contribution personnelle à l'étude de cet instrument.

Les méthodes d'induction électromagnétique permettent de caractériser la conductivité électrique des matériaux, dont les corps planétaires telluriques, depuis les couches superficielles de la croûte jusqu'aux zones les plus internes, dans le manteau inférieur. Pour une source de champ électromagnétique donnée, des courants sont induits dans les matériaux qui y sont soumis. Avec l'essor des données magnétiques satellitaires, de nouvelles méthodes d'analyse des données magnétiques permettent d'obtenir des image unidimensionnelles de la structure électrique de ces corps car la structure spatio-temporelle de la source électromagnétique en est bien connue. Les travaux de mon doctorat ont eu pour but de mettre en place une nouvelle méthode d'analyse permettant de déterminer des modèles de structure interne globaux pour n'importe quel corps du système solaire pour lequel on dispose de longues séries temporelles magnétiques satellitaires. Après avoir testé cette méthode sur des modèles synthétiques et l'avoir appliqué au cas de données réelles terrestre pour lesquelles des études d'induction électromagnétiques antérieurs permettent d'avoir un a priori sur le modèle de conductivité électrique attendu, nous avons obtenu les premiers modèles de conductivité électrique martien en utilisant les données magnétiques du satellite Mars Global Surveyor. Ces résultats nous ont permis de valider des modèles de structure interne antérieurs établis à partir d'analyses géochimiques et minéralogiques des météorites martiennes. Cette méthode innovante est aujourd'hui la seule capable d'obtenir une image électrique des manteaux telluriques à partir de données magnétiques satellitaires pour des corps autres que la Terre ou la Lune et pour lesquels aucun a priori sur la structure spatio-temporelles du champ électromagnétique inducteur externe n'est nécessaire.

L'approche cyclostratigraphique, qui repose sur l'analyse des cyclicités sédimentaires et l'étude de leurs relations avec les évolutions des paramètres orbitaux de la Terre, a été employée ici dans le but de construire une échelle de temps astronomique pour le Maastrichtien. Plusieurs sites ont été étudiés : les forages ODP des legs 122 (marge Nord ouest australienne), 207 (Atlantique équatorial), et 208 (Atlantique sud), le leg DSDP 74X et les coupes à terre situées à Gubbio (Italie) et Bidart (Pays Basque). Les analyses ont portées sur les variations de la susceptibilité magnétique, de la réflectance et des niveaux de gris. L'étude cyclostratigraphique a permis de détecter un contrôle orbital de la sédimentation sur l'ensemble des séries étudiées, avec l'enregistrement de cyclicités correspondants aux variations de l'excentricité à 100 et 405 ka, de l'obliquité et de la précession. Un calage temporel de l'ensemble des séries provenant des forages DSDP et ODP a ensuite été effectué à l'aide de la solution astronomique La0x, sur la base de l'identification des cycles d'excentricité à 405 ka. Ce cadre ainsi créé constitue une échelle de temps relative couvrant 8 Millions d'années, depuis le Campanien supérieur jusqu'à la limite K-Pg. La durée de chaque magnétochrone, du C32r2r au C29r, a ainsi pu être estimée avec une précision de l'ordre de 0.03 Ma. La calibration astronomique des séries calées en temps a été effectuée à l'aide de la nouvelle solution astronomique La10.Deux séries d'âges sont proposées pour les événements géologiques reconnus dans les séries sédimentaires. L'âge de la limite K-Pg a été estimé à ~65.59 Ma ou ~66 Ma.

Cette thèse comporte deux thèmes principaux: l'un concerne l'accélération non adiabatique des ions dans la couche de plasma proche de la Terre, l'autre les pulsations géomagnétiques dues à la décroissance de la pression dynamique du vent solaire. L'accélération nonadiabatique des ions de la couche de plasma est importante pour comprendre la formation du courant annulaire et les injections énergétiques des sous-orages. Dans la première partie de cette thèse, nous présentons des études de cas d'accélération non adiabatique des ions de la couche de plasma observés par Cluster et TC-1 Double Star dans la queue magnétique proche de la Terre (par exemple à (X,Y, Z)=(-7.7, 4.6, 3.0) RT lors de l'évènement du 30 octobre 2006), beaucoup plus près de la Terre que ceux qui avaient été précédemment observés. Nous trouvons que les variations du flux d'énergie des ions, qui sont caractérisées par une décroissance entre 10 eV et 20 keV et une augmentation entre 28 keV et 70 keV, sont causées par l'accélération non adiabatique des ions associée étroitement avec les fortes fluctuations du champ électromagnétique autour de la gyrofréquence des ions H+. Nous trouvons aussi que les ions après l'accélération non adiabatique sont groupés en phase de gyration et c'est la première fois que ceci est trouvé dans la couche de plasma alors que cet effet a été observé dans le vent solaire dans les années 1980. Nous interprétons les variations de flux d'énergie des ions et les groupements en phase de gyration en utilisant un modèle non adiabatique. Les résultats analytiques et les spectres simulés sont en bon accord avec les observations. Cette analyse suggère que cette acceleration nonadiabatique associée aves les fluctuations du cham magnétique est un mécanisme efficace pour l'accélération des ions dans la couche de plasma proche de la Terre. Les structures de flux d'énergie présentées peuvent être uilisées comme un proxy pour identifier ce processus dynamique. Dans le deuxième thème, nous étudions la réponse du champ géomagnétique à une impulsion de la pression dynamique (Psw) du vent solaire qui a atteint la magnétosphère le 24 août 2005. En utilisant les données du champ géomagnétique à haute résolution fournies par 15 stations au sol et les données des satellites Geotail, TC-1 et TC-2, nous avons étudié les pulsations géomagnétiques aux latitudes aurorales dues à la décroissance brusque de Psw dans la limite arrière de l'impulsion. Les résultats montrent que la décroissance brutale de Psw peut exciter une pulsation globale dans la gamme de fréquence 4.3-11.6 mHz. L'inversion des polarisations entre deux stations des latitudes aurorales, la densité spectrale de puissance (PSD) plus grande près de la latitude de résonance et la fréquence augmentant avec la diminution de la latitude indiquent que les pulsations sont associées avec la résonance des lignes de champ (FLR). La fréquence résonante fondamentale (la fréquence du pic de PSD entre 4.3-5.8 mHz) dépend du temps magnétique local et est maximale autour du midi local magnétique. Cette caractéristique est due au fait que la dimension de la cavité magnétosphérique dépend du temps et est minimale à midi. Une onde harmonique est aussi observée à environ 10 mHz, qui est maximale dans le secteur jour, et est fortement atténuée lorsque on va vers le coté nuit. La comparaison entre les PSDs des pulsations provoquées pas l'augmentation brutale et la décroissance brutale de Psw montre que la fréquence des pulsations est inversement proportionnelle à la dimension de la magnétopause. Puisque la résonance des lignes de champ (FLR) est excitée par des ondes cavité compressée/guide d'onde, ces résultats indiquent que la fréquence de résonance dans la cavité magnétosphérique/guide d'onde est due non seulement aux paramètres du vent solaire mais est aussi influencée par le temps magnétique local du point d'observation.

Les molécules possédant des atomes identiques en positions interchangeables existent sous différentes formes appelées " configurations de spin nucléaire " identifiées par la symétrie de la fonction d'onde rovibrationnelle et la valeur de leur spin nucléaire total. Dans le cas des molécules hydrogénées présentes dans les milieux interstellaires et cométaires, la mesure des rapports entre populations de configuration de spin différentes montre que ces dernières ne sont pas à l'équilibre thermodynamique attendu dans les conditions de température du milieu. L'origine de ce déséquilibre reste en débat, et des études plus poussées concernant la conversion de spin nucléaire (CSN) dans la phase solide et à l'interface avec la phase gazeuse à basse température sont nécessaires pour mieux comprendre les observations. Ce travail de thèse expérimental est dédié à l'étude de la CSN du CH4 dans des matrices d'argon et de krypton. La molécule de méthane présente trois configurations de spin qui peuvent être distinguées par spectroscopie d'absorption infrarouge à transformée de Fourier. Dans un premier temps, le travail a consisté en l'étude de la spectroscopie du méthane dans ces matrices (attributions, influence de l'environnement cristallin...). Dans un deuxième temps, nous avons étudié la dynamique de CSN par retour à l'équilibre de matrices préalablement enrichies en une espèce de spin donnée. L'influence de (i) la nature, (ii) la concentration en CH4 et (iii) la température (4.2 K - 10 K) des matrices sur les temps de conversion mesurés ont permis de mettre en évidence les différents mécanismes (inter et intramoléculaires) responsables de la modification des espèces de spin nucléaire de CH4. Ces travaux suggèrent que, pour des glaces astrophysiques, l'équilibre des populations relatives entre les configurations de spin devrait être obtenu en phase solide, ce qui remet en cause l'hypothèse de la conservation des rapports otho/para dans les glaces cométaires et interstellaires.

Ce document synthétise mes actions de recherches dans la métrologie optique pour l'hypersonique à haute enthalpie rencontré lors d'une rentrée atmosphérique. Je présente en début de ce document la problématique de la rentrée atmosphérique dont la maîtrise est primordiale pour le retour sur Terre d'un vol habité ou d'une sonde de retour d'échantillons. Je décris ensuite les moyens de mesures servant à caractériser le gaz en écoulement autour d'un véhicule de rentrée en test dans une soufflerie ou en vol de démonstration. En particulier les moyens d'optique linéaire que sont la fluorescence induite par faisceau d'électrons (FFE) ou par laser, la spectroscopie d'absorption ou d'émission et le LIDAR à diffusion Rayleigh.

L'exoplanétologie est une science jeune qui n'a véritablement démarré qu'en 1995 avec la découverte d'une exoplanète géante en orbite rapprochée autour de l'étoile solaire 51 Pegasi. Mes premières recherches dans de domaine datent de 1999 et concernent la mission spatiale Corot qui a conduit depuis 2006 à la détection de plus d'une trentaine de nouvelles exoplanètes très diverses. J'ai pleinement participé à l'aventure de Corot, en commençant par l'estimation du nombre de planètes détectables de 1999 à 2003, en poursuivant par la recherche et la caractérisation des signaux d'éclipses partielles, ou transits, lorsque les données furent disponibles à partir de 2007, pour finir par la mesure des propriétés physiques et orbitales des exoplanètes détectées, notamment Corot-7b en 2009, la première exoplanète rocheuse au rayon et à la masse mesurés, et Corot-8b en 2010, un mini-saturne dense. Je travaille actuellement au calcul de la probabilité de la nature planétaire de tous les signaux de transits détectés par la mission. Mes autres travaux de recherche concernent deux techniques de haute résolution angulaire pour la détection directe d'exoplanètes : l'interférométrie à longue base dans l'infrarouge et la coronographie dans le visible. En interférométrie, j'ai contribué à la précision de l'étalonnage des instruments en compilant deux catalogues d'étoiles-étalons, j'ai mesuré les propriétés d'un prototype de fibre monomode dans l'infrarouge moyen, et j'ai observé des étoiles naines, géantes et doubles. Mon résultat majeur est la détection directe du compagnon faible de l'étoile Theta Draconis. Enfin, en coronographie, j'ai développé en 2006 une méthode de correction de tavelures à l'aide d'un miroir déformable dans le cadre du projet Terrestrial Planet Finder Coronagraph de la Nasa. En cas de sélection du projet Echo par l'Esa en février 2014, mes recherches futures pourraient concerner la spectrométrie par transmission de l'atmosphère d'exoplanètes à courte période.