L’époque de réionisation (EoR) est une phase de grands changements qu’a subit l’Univers dans son premier milliard d’années. Suite à l’apparition des premières étoiles et à l’émission de photons énergétique par ces dernières, l’hydrogène a été réionisé. Cette transition a eu un impact sur la formation des galaxies. J’ai activement participé au développement d’EMMA, un code de simulation numérique ayant pour objectif d’étudier les processus à l’œuvre durant l’EoR. J’ai développé et implémenté un modèle de formation et d’évolution stellaire. Ces travaux ont contribué à la réalisation d’une simulation dédiée à l’étude de l’EoR parmi les plus grosses réalisées à l’heure actuelle. J’ai contribué au développement d’outils dédiés à l’exploration de simulations de ce type. J’ai étudié la façon dont le rayonnement s’échappe des galaxies en fonction des paramètres du modèle stellaire, et montré que les supernovæ peuvent augmenter la fraction de photons libérés. J’ai également étudié la propagation des fronts d’ionisation et montré qu’il était possible de réduire la vitesse de la lumière par trois (et ainsi diminuer le temps de calcul du transfert du rayonnement par 3), tout en conservant des résultats corrects ? / The epoch of reionization (EoR) is a phase of big changes in the first billion years of the Universe history. After the apparition of the first stars and the emission of energetic radiation by thoses ones, the hydrogen was reionized. This transition has an impact on the galaxies formations. I was part of the development team of EMMA, a numerical simulation code who aimed to study the processes happening during the EoR. I developed and implement a stellar formation and evolution model. These works contributed to the realisation of one of the biggest simulation dedicated to the study of the EoR yet. I contribute to the development of a tool dedicated to the exploration of this kind of simulations. I study how the radiation escaped the galaxies as a function of the parameters of the stellar model, and showed that supernovae could increase the ratio of escaping photon. I also studied the ionization fronts propagation and showed that the speed of light could be reduced by a factor 3 (and then divide the computational cost of the radiative transfer by 3), while keeping corrects results .

Les trous noirs supermassifs résident dans les centres de la plupart des galaxies massives et on observe des corrélations entre leurs masses et les propriétés de leurs galaxies hôtes. De plus, on observe des trous noirs de plus d’un milliard de masses solaires quelques centaines de millions d’années seulement après le Big Bang. Ces trous noirs supermassifs présents dans l’univers jeune ne sont que le sommet de l’iceberg de l’ensemble de la population de trous noirs, mais ils mettent en question notre compréhension de la formation et de la croissance des premiers trous noirs. Notre nouvelle méthode améliorant le calcul de la densité de colonne de H2 donne des probabilités pour former des graines massives de trous noirs qui sont plus d’un ordre de grandeur plus élevées que prédit précédemment. Nous trouvons que CR7 pourrait être le premier candidat à héberger un tel trou noir formé par effondrement direct et nous démentons l’existence initialement revendiquée d’une population stellaire massive primordial dans CR7. Nous calculons la densité des taux de fusion des trous noirs binaires des premières étoiles et leurs taux de détection avec aLIGO. Notre modèle démontre que les détections des ondes gravitationnelles à venir au cours des prochaines décennies permettront d’imposer des contraintes plus strictes sur les propriétés des premières étoiles et donc sur les scénarios de formation des premiers trous noirs. Nous développons un modèle analytique en 2D de la rétroaction des noyaux actifs de galaxie pour démontrer qu’un profil de disque plus réaliste réduit la quantité de gaz qui est éjectée du halo par rapport aux modèles 1D existants. La rétroaction empêche l’accretion de gaz sur le trou noir central pendant seulement ∼1 million d’année environ, ce qui permet une accretion de gaz presque continue dans le plan du disque. Avec cette thèse, je contribue à une meilleure compréhension de la formation et la croissance des premiers trous noirs supermassifs. / Supermassive black holes reside in the centres of most massive galaxies and we observe correlations between their mass and properties of the host galaxies. Besides this correlation between a galaxy and its central black hole (BH), we see BHs more massive than one billion solar masses already a few hundred million years after the Big Bang. These supermassive BHs at high redshift are just the tip of the iceberg of the entire BH population, but they challenge our understanding of the formation and growth of the first BHs. Our improved method to calculate H2 self-shielding yields probabilities to form massive seed BHs that are more than one order of magnitude higher, than previously expected. We find that CR7 might be the first candidate to host such a direct collapse BH and we disprove the initially claimed existence of a massive metal-free stellar population in CR7. We calculate the merger rate density of binary BHs from the first stars and their detection rates with aLIGO. Our model demonstrates that upcoming detections of gravitational waves in the next decades will allow to put tighter constraints on the properties of the first stars and therefore on formation scenarios of the first BHs. We develop a 2D analytical model of active galactic nuclei-driven outflows to demonstrate that a more realistic disc profile reduces the amount of gas that is ejected out of the halo, compared to existing 1D models. The outflow prevents gas accretion on to the central BH for only about ∼1Myr, which permits almost continuous gas inflow in the disc plane. With this thesis, I contribute to a better understanding of the formation and growth of the first supermassive BHs.

Des trous noirs supermassifs (TNs) de plusieurs millions de masses solaires occupent le centre de la plupart des galaxies proches. La découverte du TN Sagittarius A* au centre de notre galaxie, La Voie lactée, l'a confirmé. Pour autant, certaines galaxies semblent dépourvues de TNs (par exemple NGC205, M33), ou alors ne posséder un TN que de quelques milliers de masses solaires. D'autre part, des TNs dans leur forme la plus lumineuse, appelés quasars, dont la luminosité est plus importante que des centaines de fois celle d'une galaxie toute entière, ont été observés à très grand décalage spectral, lorsque l'Univers n'était alors âgé que d'un milliard d'années. Les modèles de formation des TNs doivent expliquer à la fois l'existence des TNs de faibles masses observés aujourd'hui dans les galaxies de faibles masses, mais aussi leur prodigieux homologues quasars dans l'Univers jeune. La formation des TNs pose encore de nos jours de nombreuses questions: comment se forment les TNs au début de l'histoire de l'Univers? Quelle est leur masse initiale? Quelle est la masse minimale d'une galaxie pour posséder un TN? Pour répondre à ces questions et pour étudier la formation des TNs dans le contexte de l'évolution des galaxies, nous avons utilisé des simulations hydrodynamiques cosmologiques, qui offrent l'avantage de suivre l'évolution temporelle de nombreux processus comme la formation stellaire, l'enrichissement en métaux, les mécanismes de rétroactions des TNs et des supernovae. J'ai particulièrement dirigé mes recherches sur les trois principaux modèles de formation des TNs à partir du reliquat des premières étoiles, d'amas d'étoiles, ou encore par effondrement direct. / Supermassive black holes (BHs) harboured in the center of galaxies have been confirmed with the discovery of Sagittarius A* in the center of our galaxy, the Milky Way. Recent surveys indicate that BHs of millions of solar masses are common in most local galaxies, but also that some local galaxies could be lacking BHs (e.g. NGC205, M33), or at least hosting low-mass BHs of few thousands solar masses. Conversely, massive BHs under their most luminous form are called quasars, and their luminosity can be up to hundred times the luminosity of an entire galaxy. We observe these quasars in the very early Universe, less than a billion years after the Big Bang. BH formation models therefore need to explain both the low-mass BHs that are observed in low-mass galaxies today, but also the prodigious quasars we see in the early Universe.BH formation is still puzzling today, and many questions need to be addressed: How are BHs created in the early Universe? What is their initial mass? How many BHs grow efficiently? What is the occurrence of BH formation in high redshift galaxies? What is the minimum galaxy mass to host a BH? We have used cosmological hydrodynamical simulations to capture BH formation in the context of galaxy formation and evolution. Simulations offer the advantage of following in time the evolution of galaxies, and the processes related to them, such as star formation, metal enrichment, feedback of supernovae and BHs. We have particularly focused our studies on the three main BH formation models: Pop III remnant, stellar cluster, and direct collapse models.