La tomographie consiste à reconstruire un objet nD à partir de projections (n-1)D. Cette discipline soulève plusieurs questions auxquelles la recherche essaie d'apporter des réponses. On s'intéresse dans cette thèse à trois aspects de cette problématique : 1) la reconstruction de l'image 2D à partir de projections dans un cadre rarement étudié qui est celui des sources ponctuelles ; 2) l'unicité de cette reconstruction ; 3) l'estimation d'informations concernant un objet sans passer par l'étape de reconstitution de son image. Afin d'aborder le problème de reconstruction pour la classe des ensembles convexes, nous définissons une nouvelle classe d'ensembles ayant des propriétés de convexité qu'on appelle convexité par quadrants pour des sources ponctuelles. Après une étude de cette nouvelle classe d'ensembles, nous montrons qu'elle présente des liens forts avec la classe des ensembles convexes. Nous proposons alors un algorithme de reconstruction d'ensemblesconvexes par quadrants qui, si l'unicité de la reconstruction est garantie, permet de reconstruire des ensembles convexes en un temps polynomial. Nous montrons que si une conjecture, que nous avons proposée, est vraie, les conditions de l'unicité pour les ensembles convexes par quadrants sont les mêmes que celles pour les ensembles convexes. Concernant le troisième aspect étudié dans cette thèse, nous proposons une méthode qui permet d'estimer, à partir d'une seule projection, la surface d'un ensemble 2D. Concernant l'estimation du périmètre d'un ensemble 2D, en considérant les projections par une deuxième source d'un ensemble convexe, nous obtenons deux bornes inférieures et une borne supérieure pour le périmètre de l'objet projeté.

La tomographie consiste à reconstruire un objet nD à partir de projections (n-1)D. Cette discipline soulève plusieurs questions auxquelles la recherche essaie d'apporter des réponses. On s'intéresse dans cette thèse à trois aspects de cette problématique : 1) la reconstruction de l'image 2D à partir de projections dans un cadre rarement étudié qui est celui des sources ponctuelles ; 2) l'unicité de cette reconstruction ; 3) l'estimation d'informations concernant un objet sans passer par l'étape de reconstitution de son image. Afin d'aborder le problème de reconstruction pour la classe des ensembles convexes, nous définissons une nouvelle classe d'ensembles ayant des propriétés de convexité qu'on appelle convexité par quadrants pour des sources ponctuelles. Après une étude de cette nouvelle classe d'ensembles, nous montrons qu'elle présente des liens forts avec la classe des ensembles convexes. Nous proposons alors un algorithme de reconstruction d'ensemblesconvexes par quadrants qui, si l'unicité de la reconstruction est garantie, permet de reconstruire des ensembles convexes en un temps polynomial. Nous montrons que si une conjecture, que nous avons proposée, est vraie, les conditions de l'unicité pour les ensembles convexes par quadrants sont les mêmes que celles pour les ensembles convexes. Concernant le troisième aspect étudié dans cette thèse, nous proposons une méthode qui permet d'estimer, à partir d'une seule projection, la surface d'un ensemble 2D. Concernant l'estimation du périmètre d'un ensemble 2D, en considérant les projections par une deuxième source d'un ensemble convexe, nous obtenons deux bornes inférieures et une borne supérieure pour le périmètre de l'objet projeté.

English Version: When humans started looking out at a starry night, astronomy was born. Photons emitted by stars travel up to sometimes billions of light years to reach our eyes, and by studying the properties of this photon flux we are able to infer properties of the star itself. Instead of photons, the IceCube Observatory, located at South Pole, aims at detecting neutrinos and hopes to shed some light on the still unsolved mystery of cosmic-ray acceleration and production mechanisms, and on the most energetic phenomena of the Universe. At the time of this writing, IceCube has proven the existence of an astrophysical neutrino flux with a significance exceeding seven sigmas. Nevertheless, the observed astrophysical neutrino flux shows no significant directional clustering nor a clear association with any known source class so far. Also the latest results given by IceCube’s point source analysis show no significant clustering as well. It is therefore important to widen the search to different source topologies to maximize the discovery potential. In the first part of this work we present an extended source analysis with seven years of IceCube data, adding three years of data to the previous published work and implementing a novel likelihood formulation. Since the extensions of any potential sources are not known a priori, five different extensions have been considered, from 1° to 5°. No significant clustering is observed in any of the maps. The ability of IceCube to establish neutrino astronomy by finding neutrino sources is limited by the number of cosmic neutrinos measured. Despite the aforementioned discovery of an astrophysical flux, detailed spectral studies and searches for specific source locations in this signal remain a challenge with the event sample sizes available from the IceCube instrument. Therefore, a considerable expansion of the current detector, IceCube Gen2, is promoted, which includes the instrumentation of a 10 km3 volume, able to deliver substantial increases in the astrophysical neutrino sample for all flavors. Not only the hardware will be upgraded, but many systems will undergo improvements, such as communications and timing infrastructures. A new communication system has been investigated and is presented in the second part of this document. Binary Phase Shift Keying (BPSK), the simplest digital modulation technique, has been studied as possible communication technique for IceCube Gen2. / French Version: Quand les humains ont commencé à regarder le ciel étoilé, l’astronomie est née. Les photons émis par les étoiles voyagent parfois des milliards d’années lumière avant d’atteindre nos yeux, et c’est grâce à l’étude de ce flux de photons que l’on peut déduire les propriétés des étoiles mêmes. Au lieu des photons, l’Observatoire IceCube, situé au Pôle Sud, a pour but de détecter des neutrinos :il espère éclairer le mystère encore non résolu de l’accéleration et des mécanismes de production des rayons cosmiques, ainsi que des phénomènes les plus énergétiques de l’Univers. Au moment où ce document a été rédigé, IceCube a démontré l’existence d’un flux de neutrinos astrophysiques avec une signification statistique excédant sept sigmas. Cependant, le flux de neutrinos astrophysiques observé ne montre aucun regroupement directionnel significatif ni une évidence d’association avec aucune source connue à l’heure actuelle. De plus, les derniers résultats fournis par les analyses de sources ponctuelles de la collaboration IceCube ne montrent non plus aucun regroupement. Il est donc important d’étendre ces recherches vers des typologies de sources différentes pour maximiser le potentiel de son découverte. Dans la première partie de ce travail nous présentons une analyse de source étendue basée sur sept années de données d’IceCube, ce qui rajoute trois ans de données au travail précédemment publié tout en mettant en oeuvre une nouvelle formulation de maximum de vraisem- blance. Comme les extensions de sources potentielles ne sont pas connues à priori, cinq extensions différentes ont été considérées, de 1° à 5°. Aucun regroupement significatif n’a été observé sur aucune des cartes. La capacité d’IceCube de consolider l’astronomie neutrino en découvrant des sources de neutrinos est limitée par le nombre de neutrinos cosmiques mesuré. Malgré la découverte susmentionnée d’un flux astrophysique, les études détaillées de spectre ainsi que les recherches de sources spécifiques pour ce type de signal demeurent un défi, à cause de la limitation de taille disponible des échantillons avec l’instrument IceCube. Par conséquent, une expansion considérable du détecteur actuel, IceCube Gen2, est promue :elle inclut l’instrumentation d’un volume de 10 km3, apte à fournir une augmentation importante des échantillons de neutrinos de toutes les saveurs. Non seulement le hardware sera mis à niveau, mais de nombreux autres systèmes subiront des améliorations, comme les infrastructures de communication et de timing. Un nouveau système de communication a été étudié et est présenté dans la deuxième partie de ce document. Le Binary Phase Shift Keying (BPSK), la technique de modulation numérique la plus simple, a été étudiée comme technique potentielle pour IceCube Gen2. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse traite de problèmes inverses de sources dans deux cas : les sources fixes en 2D et 3D équations elliptiques et une source non-stationnaire dans une équation de diffusion. Dans le cadre de ce travail, nous considérons des sources ponctuelles (monopôles, dipôles et sources multipolaires) et des sources ayant support compact dans un nombre fini de petits sous-domaines qui modèlent les sources dans les problèmes EEG/MEG et le problème de tomographie par bioluminescence (BLT). Le but de cette thèse est de proposer des méthodes d’identification robustes qui permettent de déterminer leur nombre, leurs intensités et leurs positions. Des méthodes algébriques directes sont utilisées pour identifier les sources fixes et une méthode quasi-algébrique mélangée avec un problème d’optimisation est utilisé pour récupérer les sources avec des intensités variables dans le temps. Des résultats numériques sont effectués afin de mettre en évidence la robustesse de nos algorithmes d’identification. / This thesis deals with inverse source problems in 2 cases : stationary sources in 2D and 3D elliptic equations and a non-stationary source in a diffusion equation. the main form of sources considered are pointwise sources (monopoles, dipoles and multipolar sources) having compact support within a finite number of small subdomains modeling EEG/MEG problems and Bioluminescence Tomography (BLT) problems. The purpose o this thesis is mainly to propose robust identification methods that enable us to reconstruct the number, the intensity and the location of the sources. Direct algebraic methods are used to identify the stationary siurces and a quasi-algebraic method mixed with an optimieation method is employed to recover sources with time-variable intensities. Numerical results are shown to prove the robustness of our identification algorithms.

La tomographie consiste à reconstruire un objet nD à partir de projections (n-1)D. Cette discipline soulève plusieurs questions auxquelles la recherche essaie d’apporter des réponses. On s’intéresse dans cette thèse à trois aspects de cette problématique : 1) la reconstruction de l’image 2D à partir de projections dans un cadre rarement étudié qui est celui des sources ponctuelles ; 2) l’unicité de cette reconstruction ; 3) l'estimation d’informations concernant un objet sans passer par l'étape de reconstitution de son image. Afin d’aborder le problème de reconstruction pour la classe des ensembles convexes, nous définissons une nouvelle classe d’ensembles ayant des propriétés de convexité qu’on appelle convexité par quadrants pour des sources ponctuelles. Après une étude de cette nouvelle classe d’ensembles, nous montrons qu’elle présente des liens forts avec la classe des ensembles convexes. Nous proposons alors un algorithme de reconstruction d’ensemblesconvexes par quadrants qui, si l’unicité de la reconstruction est garantie, permet de reconstruire des ensembles convexes en un temps polynomial. Nous montrons que si une conjecture, que nous avons proposée, est vraie, les conditions de l’unicité pour les ensembles convexes par quadrants sont les mêmes que celles pour les ensembles convexes. Concernant le troisième aspect étudié dans cette thèse, nous proposons une méthode qui permet d’estimer, à partir d’une seule projection, la surface d’un ensemble 2D. Concernant l’estimation du périmètre d’un ensemble 2D, en considérant les projections par une deuxième source d’un ensemble convexe, nous obtenons deux bornes inférieures et une borne supérieure pour le périmètre de l’objet projeté. / Tomography is about reconstructing an nD object from its (n-1)D projections. This discipline addresses many questions to which research tries to provide answers. In this work, we are interested to three aspects: 1) the 2D image reconstruction from projections in a rarely studies framework that is the point sources; 2) the uniqueness of this reconstruction; 3) estimating information about an object without going through the step of reconstructing its image. To approach the problem of tomographic reconstruction for the class of convex sets, we define a new class of sets having properties of convexity called quadrant convexity for point sources. After a study of this new class of sets, we show that it presents strong links with the class of convex sets. Wepropose a reconstruction algorithm for quadrant-convex sets that, if the uniqueness of the reconstruction is guaranteed, allows the reconstruction of convex sets in polynomial time. We also show that if a conjecture we have proposed is true the conditions of uniqueness for quadrant-convex sets are the same as those for convex sets. Regarding the third aspect studied in this thesis, we focus on two quantitative properties that are the surface and the perimeter. We propose a method to estimate, from only one projection, the surface of a 2D set. We obtain two lower bounds and an upper bound for the perimeter of a projected convexobject by considering the projections from a second point source.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à la modélisation mathématique des hétérogénéités de longueurs caractéristiques beaucoup plus petites que la longueur d'ondes. La thèse consiste en deux parties. La partie théorique est dédiée à l'obtention d'un développement asymptotique raccordé: la solution est décrite à l'aide d'un développement de champ proche au voisinage de l'obstacle et par un développement de champ lointain hors de ce voisinage. Le développement de champ lointain met en jeu des solutions singulières de l'équation des ondes tandis que le champ proche lui est régi par un modèle quasi-statique. Ces deux développements sont alors raccordés dans une zone intermédiaire dite de raccord. Nous obtenons alors des estimations d'erreurs permettant de rendre rigoureux ce développement asymptotique formel. La deuxième partie est numérique. Elle décrit à la fois la méthode de Galerkine discontinue, une méthode de raffinement de maillage espace-temps et propose une discrétisation des modèles asymptotiques obtenues précédemment. Elle est illustrée par un certain nombre de tests numériques. / In this thesis, we focus our attention on the modeling of heterogeneities which are smaller than the wavelength. The document is decomposed into two parts : a theoretical one and a numerical one. In the first part, we derive a matched asymptotic expansion composed of a far-field expansion and a near-field expansion. The terms of the far-field expansion are singular solutions of the wave equation whereas the terms of the near-field expansion satisfy quasistatic problems. These expansions are matched in an intermediate region. We justify mathematically this theory by proving error estimates. In the second part, we describe the Discontinuous Galerkin method, a local time stepping method and the implementation of the matched asymptotic method. Numerical simulations illustrate these results.

Cette thèse, écrite en anglais, étudie la non-Gaussianité (NG) des avant-plans extragalactiques au fond de rayonnement fossile (FDC), celui-ci étant une des observables de choix de la cosmologie actuelle. Ces dernières années a émergé la recherche de déviations du FDC à la loi Gaussienne, car elles permettraient de discriminer les modèles de génération des perturbations primordiales. Cependant les mesures du FDC, e.g. par le satellite Planck, sont contaminées par différents avant-plans. J'ai étudié en particulier les avant-plans extragalactiques traçant la structure à grande échelle de l'univers: les sources ponctuelles radio et infrarouges et l'effet Sunyaev-Zel'dovich thermique (tSZ). Je décris donc les outils statistiques caractérisant un champ aléatoire : les fonctions de corrélations, et leur analogue harmonique : les polyspectres. En particulier le bispectre est l'indicateur de plus bas ordre de NG avec le plus fort rapport signal sur bruit (SNR) potentiel. Je décris comment il peut être estimé sur des données en tenant compte d'un masque (e.g. galactique), et propose une méthode de visualisation du bispectre plus adaptée que les préexistantes. Je décris ensuite la covariance d'une mesure de polyspectre, une méthode pour générer des simulations non-Gaussiennes, et comment la statistique d'un champ 3D se projette sur la sphère lors de l'intégration sur la ligne de visée. Je décris ensuite la genèse des perturbations de densité par l'inflation standard et leur possible NG, comment elles génèrent les anisotropies du FDC et croissent pour former la structure à grande échelle de l'univers actuel. Pour décrire cette dite structure, j'expose le modèle de halo et propose une méthode diagrammatique pour calculer les polyspectres du champ de densité des galaxies et avoir une représentation simple et puissante des termes impliqués. Puis je décris les avant-plans au FDC, tant galactiques que extragalactiques. J'expose la physique de l'effet tSZ et comment décrire sa distribution spatiale avec le modèle de halo. Puis je décris les sources extragalactiques et présente une prescription pour la NG de sources corrélées. Pour le fond diffus infrarouge (FDI) j'introduis une modélisation physique par le modèle de halo et la méthode diagrammatique. Je calcule numériquement le bispectre 3D des galaxies et obtiens la première prédiction du bispectre angulaire FDI. Je montre les différentes contributions et l'évolution temporelle du bispectre des galaxies. Pour le bispectre du FDI, je montre ses différents termes, sa dépendence en échelle et en configuration, et comment il varie avec les paramètres du modèle. Par analyse de Fisher, je montre qu'il apporte de fortes contraintes sur ces paramètres, complémentaires ou supérieures à celles venant du spectre. Enfin, je décris mon travail de mesure de la NG. J'introduis d'abord un estimateur pour l'amplitude du bispectre FDI, et montre comment le combiner avec de similaires pour les sources radio et le FDC, pour une contrainte jointe des différentes sources de NG. Je quantifie la contamination des sources ponctuelles à l'estimation de NG primordiale ; pour Planck elle est négligeable aux fréquences centrales du FDC. Je décris ensuite ma mesure du bispectre FDI sur les données Planck ; il est détecté très significativement à 217, 353 et 545 GHz, avec des SNR allant de 5.8 à 28.7. Sa forme est cohérente entre les différentes fréquences, de même que l'amplitude intrinsèque de NG. Enfin, je décris ma mesure du bispectre tSZ, sur des simulations et sur les cartes tSZ estimées par Planck, validant la robustesse de l'estimation via des simulations d'avant-plans. Le bispectre tSZ est détecté avec un SNR~200. Son amplitude et sa dépendence en échelle et en configuration sont cohérentes avec la carte des amas détectés et avec les simulations. Enfin, cette mesure place une contrainte sur les paramètres cosmologiques : sigma_8 (Omega_b/0.049)^0.35 = 0.74+/-0.04 en accord avec les autres statistiques tSZ. / This PhD thesis, written in english, studies the non-Gaussianity (NG) of extragalactic foregrounds to the Cosmic Microwave Background (CMB), the latter being one of the golden observables of today's cosmology. In the last decade has emerged research for deviations of the CMB to the Gaussian law, as they would discriminate the models for the generation of primordial perturbations. However the CMB measurements, e.g. by the Planck satellite, are contaminated by several foregrounds. I studied in particular the extragalactic foregrounds which trace the large scale structure of the universe : radio and infrared point-sources and the thermal Sunyaev-Zel'dovich effect (tSZ). I hence describe the statistical tools to characterise a random field : the correlation functions, and their harmonic counterpart : the polyspectra. In particular the bispectrum is the lowest order indicator of NG, with the highest potential signal to noise ratio (SNR). I describe how it can be estimated on data, accounting for a potential mask (e.g. galactic), and propose a method to visualise the bispectrum, which is more adapted than the already existing ones. I then describe the covariance of a polyspectrum measurement, a method to generate non-Gaussian simulations, and how the statistic of a 3D field projects onto the sphere when integrating along the line-of-sight. I then describe the generation of density perturbations by the standard inflation model and their possible NG, how they yield the CMB anisotropies and grow to form the large scale structure of today's universe. To describe this large scale structure, I present the halo model and propose a diagrammatic method to compute the polyspectra of the galaxy density field and to have a simple and powerful representation of the involved terms. I then describe the foregrounds to the CMB, galactic as well as extragalactic. I briefly describe the physics of the thermal Sunyaev-Zel'dovich effect and how to describe its spatial distribution with the halo model. I then describe the extragalactic point-sources and present a prescription for the NG of clustered sources. For the Cosmic Infrared Background (CIB) I introduce a physical modeling with the halo model and the diagrammatic method. I compute numerically the 3D galaxy bispectrum and produce the first theoretical prediction of the CIB angular bispectrum. I show the contributions of the different terms and the temporal evolution of the galaxy bispectrum. For the CIB angular bispectrum, I show its different terms, its scale and configuration dependence, and how it varies with model parameters. By Fisher analysis, I show it allows very good constraints on these parameters, complementary to or better than those coming from the power spectrum. Finally, I describe my work on measuring NG. I first introduce an estimator for the amplitude of the CIB bispectrum, and show how to combine it with similar ones for radio sources and the CMB, for a joint constraint of the different sources of NG. I quantify the contamination of extragalactic point-sources to the estimation of primordial NG ; for Planck it is negligible for the central CMB frequencies. I then describe my measurement of the CIB bispectrum on Planck data ; it is very significantly detected at 217, 353 and 545 GHz with SNR ranging from 5.8 to 28.7. Its shape is consistent between frequencies, as well as the intrinsic amplitude of NG. Ultimately, I describe my measurement of the tSZ bispectrum, on simulations and on Compton parameter maps estimated by Planck, validating the robustness of the estimation thanks to realist foreground simulations. The tSZ bispectrum is very significantly detected with SNR~200. Its amplitude and its scale and configuration dependence are consistent with the projected map of detected clusters and tSZ simulations. Finally, this measurement allows to put a constraint on the cosmological parameters : sigma_8*(Omega_b/0.049)^0.35 = 0.74+/-0.04 in agreement with other tSZ statistics.