The existence of other habitable worlds and the possible development of life elsewhere in the Universe have been among mankinds fundamental questions for thousands of years. These interrogations about our origins and place in the Universe are today at the dawn of being answered in scientific terms. The key year was 1995 with the discovery of the first extrasolar planet orbiting around a solar-type star. About 400 extrasolar planets are known today and the possibility to identify habitable worlds and even life among them largely contributes to the growing interest about their nature and properties. However, characterizing planetary systems is a very difficult task due to both the huge contrast and the small angular separation between the host stars and their environment. New techniques have emerged during the past decades with the purpose of tackling these fantastic observational challenges. In that context, infrared interferometry is a very promising technique, since it provides the required angular resolution to separate the emission of the star from that of its environment. This dissertation is devoted to the characterization of extrasolar planetary systems using the high angular resolution and dynamic range capabilities of infrared interferometric techniques. The first part of the present work is devoted to the detection with current interferometric facilities of warm dust within the first few astronomical units of massive debris discs around nearby stars. In order to extend the imaging of planetary systems to fainter discs and to extrasolar planets, we investigate in a second step the performance of future space-based nulling interferometers and make a comparison with ground-based projects. Finally, the third part of this work is dedicated to the impact of exozodiacal discs on the performance of future life-searching space missions, the goal being to characterize extrasolar planets with sizes down to that of the Earth.

L'eau (H2O) est une des molécules les plus abondantes du milieu interstellaire. En plus d'être un ingrédient nécessaire à l'apparition de la Vie, elle joue également un rôle important dans le processus de formation stellaire à travers le refroidissement du gaz chaud et contrôle aussi la chimie de nombreuses autres espèces, que ce soit en phase gazeuse ou à la surface des grains. Étudier sa forme deutérée HDO constitue un moyen unique, à travers l'estimation du rapport HDO/H2O, de contraindre les mécanismes de formation de l'eau ainsi que de mieux comprendre l'origine de l'eau des océans terrestres. Les résultats récents obtenus avec le satellite Herschel montrent en effet que le rapport HDO/H2O observé dans les comètes est similaire à celui mesuré dans les océans (~ 1.5 10-4), suggérant que l'eau pourrait avoir été apportée sur Terre par les comètes lors de grands bombardements (Hartogh et al. 2011). Dans cette thèse, je me suis intéressée à l'étude de l'eau deutérée durant les premières étapes de la formation stellaire, la phase de Classe 0, qui précèdent la formation du disque proto-planétaire menant à la naissance des planètes et des comètes. En modélisant avec un code 1D de transfert radiatif hors-Equilibre Thermodynamique Local les profils des nombreuses raies de HDO et H218O observées avec l'instrument HIFI (Heterodyne Instrument for Far-Infrared) de l'Observatoire Spatial Herschel et des télescopes terrestres (IRAM, JCMT), j'ai déterminé des rapports HDO/H2O de la proto-étoile de type solaire IRAS 16293-2422 de l'ordre de 2% dans le hot corino, la partie interne de l'enveloppe suffisamment chaude (T>100 K) pour que les molécules d'eau collées à la surface des grains désorbent en phase gazeuse, et de 0.5% dans l'enveloppe externe plus froide. Grâce à ce travail (Coutens et al. 2012), la présence en avant-plan d'une couche d'absorption riche en eau a été mise en évidence observationnellement pour la première fois. Elle pourrait être due à des processus de photo-désorption des molécules d'eau piégées dans les manteaux de glace des grains, en bordure de nuage moléculaire, par le champ interstellaire UV. Les estimations des rapports HDO/H2O ainsi que D2O/HDO dans cette source permettent de contraindre les conditions de formation de l'eau dans ce type d'objet et suggèrent notamment que l'eau se serait probablement formée avant l'effondrement gravitationnel du nuage. Cette étude a ensuite été étendue à d'autres proto-étoiles de type solaire NGC 333 IRAS4A et NGC1333 IRAS4B pour lesquelles j'ai estimé les abondances d'eau deutérée et constaté qu'une couche d'absorption étendue entourait également ces sources. Les rapports HDO/H2O élevés de la proto-étoile IRAS 16293-2422 suggèrent que des mécanismes nécessaires à la diminution de ces rapports isotopiques prennent place entre l'étape de Classe 0 et la formation des comètes. Il faudra néanmoins étudier un plus grand échantillon de proto-étoiles pour savoir si cette tendance est générale ou non. Les abondances de HDO obtenues dans les proto-étoiles NGC1333 IRAS4A et NGC1333 IRAS4B serviront donc à de prochaines estimations des rapports HDO/H2O. Enfin, je me suis également attachée à étudier l'eau deutérée dans des sources proto-stellaires beaucoup plus massives et plus lumineuses que les proto-étoiles de type solaire et présente ici le cas de la région HII ultra-compacte G34.26+0.15.

L'acquisition d'images en comptage de photons du spectre visible, avec une grande précision sur la date de chaque photo événement, est particulièrement profitable pour les techniques d'observation au sol. Dans la première partie de cette thèse, après une revue des différentes techniques d'acquisition et de traitements des photoévénements, je présente un nouveau type de caméra à comptage, remarquable pour sa haute résolution temporelle et son haut flux maximum, la caméra DELTA (Détection d'Événements Lumineux par Trois Axes). Je décris le principe de cette caméra, ainsi que différentes solutions techniques (optique, électronique, informatique) qui pourraient être employées. J'expose également des nouvelles techniques de mesure et d'exploitation de l'information temporelle liée aux photoévénements. La seconde partie de mon travail concerne la détection et le suivi des franges en interférométrie stellaire optique à longue base au sol. Après une étude statistique du problème, je décris les différentes façons d'introduire dans les données de l'information a priori pour une meilleure efficacité de la détection. Une des méthodes proposées, utilisant l'information a priori sur le piston atmosphérique fait appel a une datation précise des photons, et par conséquent aux techniques décrites dans la première partie.

Durant ce travail, nous nous sommes intéressé à l'impact, dans les galaxies naines, qu'ont les étoiles massives formées lors d'un sursaut de formation stellaire. Deux aspects de ce problème, différents mais complémentaires, ont été abordés: d'une part, l'incidence du sursaut sur la dynamique du milieu interstellaire, à travers l'émission de la raie Lyalpha, et d'autre part l'influence de ces sursauts sur l'évolution chimique de ces objets. En effet, lors d'un épisode violent de formation stellaire, les étoiles massives ionisent fortement le gaz environnant, donnant normalement lieu à des émissions de photons Lyalpha et Halpha dont le rapport des quantités peut être évalué de façon théorique. Toutefois, les premières observations de l'émission Lyalpha dans des galaxies à sursaut ont révélé un apparent déficit de ces photons par rapport à l'émission Halpha observée. Attribué initialement à l'effet conjugué de la diffusion résonante dans le gaz neutre et de la destruction des photons Lyalpha par les poussières, nous avons pu confirmer, en nous basant sur la comparaison des profils des ces deux raies, observées au sol et dans l'espace avec le télescope spatial, que la dynamique du gaz, contrôlée par l'énergie mécanique libérée par les étoiles massives, était également un facteur déterminant pour l'émergence de la raie Lyalpha. Tout particulièrement, nous avons pu montrer que si l'on négligeait l'effet de la dynamique de la matière interstellaire, l'apparent déficit en photons Lyalpha pouvait être expliqué en invoquant, vraisemblablement à tort, une loi et un coefficient d'extinction élevés, mais qu'en revanche, la prise en compte des effets dynamiques, indique que les photons Lyalpha émergent principalement de régions de faible extinction. D'autre part, les étoiles massives, formées lors d'un sursaut, rejettent dans le milieu interstellaire les métaux qu'elles ont synthétisées, contribuant ainsi à son enrichissement. Afin d'étudier les échelles spatiales et temporelles de cet enrichissement, nous avons obtenu un spectre à longue fente de la galaxie naine IZw 18, objet présentant la particularité d'être le plus sous-abondant de l'univers local. Ces observations profondes (14 heures de pose !) ont révélé une abondance en oxygène extrêmement homogène à une échelle de plus de 600 pc, suggérant, en accord avec les résultats concernant d'autres galaxies à sursaut, que l'enrichissement dû aux étoiles massives actuelles n'était pas encore visible. L'hypothèse la plus probable semble que les métaux éjectés par les étoiles massives, sous forme de vents stellaires et éjectas de supernovae, demeurent, dans les premiers temps du sursaut, dans une phase chaude et peu dense, rayonnant dans le domaine X (mais pas en optique), et ne se mélangent pas immédiatement au milieu interstellaire environnant. En nous aidant d'un modèle d'évolution spectrophotométrique couplé à l'évolution chimique des galaxies, nous avons étudié différents scénarios d'histoire de formation d'étoiles dans IZw 18. La possibilité d'une éjection hors de la galaxie des métaux rejetés par les étoiles massives, voire par les étoiles de masses intermédiaires, a été étudiée. Si les abondances en carbone et oxygène observées dans IZw 18 résultent uniquement d'un enrichissement par des sursauts de formation d'étoiles, au plus 60 à 70 % des métaux produits par les étoiles de toute masses doivent être ainsi perdus. Nous avons également montré qu'une formation stellaire continue, mais de très faible intensité, durant les périodes inter-sursaut devait être prise en compte, et que ce mode de formation d'étoiles ne pouvait être négligé lorsque l'on s'intéresse aux objets de très faible métallicité. En particulier, les abondances mesurées dans IZw 18 pourraient ne provenir que de ce type de formation stellaire si celle-ci s'est maintenue pendant un temps de Hubble. Le sursaut actuel serait alors le premier, mais une formation d'étoiles faible et lente aurait commencée il y a plusieurs milliards d'années. Nous avons également montré que les galaxies à faible brillance de surface pouvaient être les contreparties en phase "calme" des galaxies à sursaut et que la possible augmentation de la métallicité minimale des systèmes absorbants Lyman alpha quand le décalage spectral diminue pouvait être le résultat d'une formation stellaire continue, mais très faible, qui contribuerait à augmenter régulièrement le contenu en métaux de la matière interstellaire.

Dans le but de clarifier les aspects dynamiques des modèles galactiques triaxiaux, le potentiel logarithmique est étudié a travers la méthode d'analyse en fréquence. Les caractéristiques dynamiques principales du système sont présentées en utilisant le formalisme hamiltonien approprié. Afin de comparer cette nouvelle approche avec des études précédentes, la méthode est appliquée a la version axisymétrique du potentiel. La précision de la méthode est démontrée a travers des techniques de perturbation et des transformations numériques en variables action-angle. En outre, la construction des applications fréquence pour plusieurs valeurs du paramètre de perturbation permet de fournir une vision globale de la dynamique du potentiel plan. Les zones chaotiques, les résonances importantes ainsi que les orbites périodiques sont détectées. La méthode est appliquée ensuite a la version tridimensionnelle du potentiel logarithmique. Les approximations quasi-périodiques fournies par la méthode permettent de clarifier la dynamique des types d'orbites principales et leur connexion avec des perturbations du hamiltonien général. Tous les détails fins de la dynamique, qui sont associés a l'addition du troisième degré de liberté, sont représentés dans les applications fréquence complètes, des images instantanées du réseau d'Arnold (''Arnol'd web'') du système. Ainsi, nous pouvons visualiser l'étendu des zones chaotiques et l'influence des lignes résonantes dans l'espace physique du système. Cette approche révèle plusieurs caractéristiques dynamiques inconnues des potentiels galactiques triaxiaux et indique que le chaos doit être une caractéristique importante des configurations triaxiales. Nous discutons finalement l'influence de ces résultats sur la construction des modèles galactiques auto-consistants.

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Plusieurs évènements astrophysiques comme les novae, les supernovae de type Ia (SNeIa) et les sursauts X sont le résultat d'une combustion thermonucléaire explosive dans un plasma stellaire. Les supernovae comptent parmi les objets astrophysiques les plus fascinants tant sur le plan théorique que sur celui des observations. Au moment de l'explosion, la luminosité d'une supernova peut égaler celle de l'intégralité des autres étoiles de la galaxie. On admet aujourd’hui que les SNeIa résultent de l'explosion thermonucléaire d'une étoile naine blanche, un objet dense et compact composé de carbone et d'oxygène. Divers chemins évolutifs peuvent conduire à l’explosion de la naine blanche si celle-ci est membre d’un système stellaire binaire. Néanmoins, la nature du système binaire, les mécanismes d'amorçage et de propagation de la combustion thermonucléaire ainsi que le rapport carbone/oxygène au sein de l'étoile compacte ne sont pas encore clairement identifiés à ce jour. En ce qui concerne l’écoulement réactif, on invoque ainsi une détonation (Modèle sub-Chandrasekhar), une déflagration ou la transition d'une déflagration vers une détonation (Modèle Chandrasekhar). La détonation semble donc jouer un rôle prépondérant dans l'explication des SNeIa. <p>Les difficultés de modélisation des détonations proviennent essentiellement (i) de la libération d'énergie en plusieurs étapes, de l’apparition d’échelles de temps et de longueurs caractéristiques très différentes (ii) des inhomogénéités de densité, de température et de composition du milieu dans lequel se propage le front réactif et qui donnent naissance aux structures cellulaires et autres instabilités de propagation du front (extinctions et réamorçages locaux). <p>En plus de celles citées ci-dessus, deux autres difficultés majeures inhérentes à l'étude de ce mode de propagation dans les plasmas stellaires sont rencontrées :la complexité de l’équation d’état astrophysique et la cinétique nucléaire pouvant impliquer plusieurs milliers de nucléides couplés par plusieurs milliers de réactions. Ainsi, les premiers travaux impliquant une combustion thermonucléaire explosive ont été réalisés sur bases d'hypothèses simplificatrices comme l'équilibre nucléaire statistique instantané des produits de réactions ou l'utilisation d'un réseau réduit à une dizaine d'espèces nucléaires. Dans tous ces travaux, la détonation est assimilée à une discontinuité totalement réactive (détonation de Chapman-Jouguet ou CJ). La résolution de l'onde de détonation nécessite l'étude détaillée du processus nucléaire se déroulant dans la zone de réaction. Malheureusement, les supports de calculs actuels ne permettent pas encore ce type de simulations pour les détonations astrophysiques. Le modèle ZND qui constitue une description unidimensionnelle stationnaire de l’écoulement (plan ou courbé) constitue une excellente approximation de la réalité. <p>Notre travail réexamine les résultats des calculs des structures des ondes de détonations stellaires dans les conditions de température, de densité et de composition envisagées dans les travaux de ce type (détonation CJ et ZND) réalisés jusqu’à présent mais avec une équation d’état appropriée aux plasmas stellaires et une cinétique nucléaire nettement plus riche ;le plus grand réseau jamais utilisé pour ce genre d’études (333 noyaux couplés par 3262 réactions), prenant en compte les données les plus récentes de la physique nucléaire (vitesses de réaction et fonctions de partition)./Several astrophysics events like novae, supernovae and X burts, result from an explosive thermonuclear burning in stellar plasma. Type Ia Supernovae (SNeIa) count amoung the most fascinating stellar objects, they can be more brighter than an entire galaxy. Astrophysic works show that SNeIa may result from a thermonuclear explosion of a compact and dense star called carbon-oxygen white dwarf. The ignition stage and the propagation mode of the thermonuclear combustion wave are not identified yet. The Deflagration-to-Detonation Transition process (or "delayed detonation") sims to give the best overall agrements with the observations :detonations can play appart in SNeIa events. <p><p>Simulating thermonuclear detonations count same difficults. The most important are the burning length scales that spent over more than ten oders of magnitud, the nuclear kinetics that involve thousands of nuclids linked by thousands of nuclear reactions and the stellar plasma equation of state (EOS). Hydrodynamical simulations of detonation use very simplified ingedients like reduced reactions network and asymptotic EOS of completely electron degenerate stellar plasma.<p><p>Our work is the modelling of these detonations using more representative EOS of the stallar plasma that includs ions, electrons, radiation and electron-pistron pairs. We also use a more <p>detailed kinetic network, comprising 331 nuclids linked by 3262 capture and photodisintegration reactions, than those usualy employed.<p> <p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les associations locales jeunes (YMG ; young moving group) sont des groupes d’étoiles jeunes, principalement des étoiles naines M, partageant une cinématique commune, situées dans le voisinage solaire et formées à la même époque lors de l’effondrement d’un nuage moléculaire unique à chaque association. Ce sont des laboratoires idéals pour l’étude des dernières étapes de la formation stellaire et l’imagerie directe d’exoplanètes. L’association β Pictoris (βPMG ; β Pictoris moving group) est l’une des plus jeunes et des plus rapprochées, mais son âge demeure incertain : les méthodes des isochrones et de la limite d’épuisement du lithium (LDB ; lithium depletion boundary ; 21−24 Ma) sont incohérentes avec la méthode du retracement à l’origine (11−13 Ma), consistant à retracer le parcours des étoiles membres jusqu’à l’époque où l’étendue de l’association était minimale, soit l’époque de la formation stellaire. Cette étude présente une nouvelle méthode numérique, appelée Traceback, permettant de trouver un âge cinématique pour une association par retracement à l’origine avec les données du catalogue Gaia Data Release 2 (DR2). Sa précision théorique maximale est calculée et deux biais sont caractérisés : un biais dû aux erreurs de mesure (∼ −4,5 Ma) et un biais ∆v_r, grav = 0,5 km/s sur les mesures de vitesse radiale (v_r) dû au décalage vers le rouge gravitationnel (∼ −1,8 Ma). En appliquant cette méthode à un échantillon de 46 membres validés de l’association β Pictoris, un âge cinématique corrigé de 17−19 Ma, compatible avec les âges obtenus avec les méthodes des isochrones et de la LDB, est trouvé en minimisant la déviation médiane absolue (MAD ; median absolute deviation), une mesure de l’étendue de l’association résiliente aux données déviantes, et la covariance X-U entre les positions X et les vitesses U des étoiles membres. De plus, on montre que l’usage d’un arbre couvrant de poids minimal (MST ; minimum spanning tree) n’apporte aucun avantage. / Young moving groups (YMGs) are associations of young stars, mainly M dwarfs, that share a common kinematics, located in the solar neighbourhood and formed at the same epoch by the collapse of a molecular cloud that is unique to every association. They are ideal laboratories for the study of the last steps of stellar formation and the direct imaging of exoplanets. The β Pictoris moving group (βPMG) is one of the youngest and closest YMGs, although its age remains uncertain: ages found using isochrones or the lithium depletion boundary (LDB; 21 − 24 Myr) are inconsistent with traceback ages (11 − 13 Myr), found by tracing back the trajectories of member stars up to the epoch when the size of the YMG was minimal, which coincides with the epoch of stellar formation. This study presents a new numerical method, called Traceback, capable of finding a kinematic age for a YMG by traceback with data from the Gaia Data Release 2 (DR2) catalog. Its maximal theoretical precision is calculated and two important biases are characterized: a bias due to measurement errors (∼ −4.5 Myr) and a ∆v_r, grav = 0.5 km/s bias on radial velocity (v_r ; vitesse radiale) measurements due to gravitational redshift (∼ −1.8 Myr). When this method is applied to a sample of 46 validated members of βPMG, a corrected kinematic age of 17 − 19 Myr, in agreement with isochrones and LDB ages, is found by minimizing the median absolute deviation (MAD), a measure of the size of the association that is robust against outliers in the data, and the X-U covariance between the X positions and the U velocities of member stars. Furthermore, the use of a minimum spanning tree (MST) is shown not to be advantageous.

Les binaires X, composées d'un objet compact (naine blanche, étoile à neutrons ou trou noir stellaire) et d'une étoile donneuse, sont des objets fascinants qui ont permis faire des découvertes majeures dans le domaine de l'astrophysique des hautes énergies. Toutefois, l'environnement immédiat de ces dernières, à l'échelle de $\sim$ 100--10,000 unités astronomiques, n'est pour sa part que très peu compris et exploré. Dans ce mémoire, on s'intéresse à la présence de compagnons, autant de masse planétaire que stellaire, dans lesdits environnements des binaires X. Pour ce faire, on a fait appel à des techniques observationnelles qui sont normalement utilisées pour la recherche d'exoplanètes jeunes, chaudes et en orbite autour d'étoiles situées à quelques parsecs de la Terre : il s'agit de l'imagerie directe ou plus précisément de l'imagerie à haut contraste. Ainsi, pour la toute première fois, on a appliqué ces méthodes sur un échantillon de binaires X avec l'instrument proche infrarouge NIRC2 de l'Observatoire W. M. Keck, avec l'aide d'un système d'optique adaptative et d'un coronographe. Ici, on a présenté les premières images à haut contraste de 14 binaires X. Le but était de détecter des sources lumineuses dans les images et de calculer leur flux et leur position avec des méthodes d'optimisation. Ensuite, il s'agissait de définir via diverses analyses si celles-ci sont cohérentes avec des compagnons liés par la gravité à la binaire X, ou plutôt avec des étoiles de fond. Ces travaux se veulent donc une introduction à un nouveau sous-domaine de l'astrophysique qui tente de relier l'exoplanétologie et l'astrophysique des hautes énergies. / X-ray binaries, consisting of a compact object (white dwarf, neutron star or stellar-mass black hole) and a donor star, are fascinating objects that have allowed major breakthroughs in the field of high-energy astrophysics. However, their immediate environments, on the scale of $\sim$ 100--10,000 astronomical units, are still poorly understood. In this Master's thesis, we investigated the presence of companions, ranging from planetary to stellar masses, in the environments of X-ray binaries. In order to do so, we used observational techniques that are normally used for the search of young, hot and distant exoplanets orbiting stars located at a few parsecs from the Earth: direct imaging or more precisely high-contrast imaging. Thus, for the very first time, we applied these techniques on a sample of X-ray binaries with the near-infrared instrument NIRC2 of the W. M. Keck Observatory, with the help of an adaptive optics system and a coronagraph. Here, we present the first high-contrast images for 14 X-ray binaries. The goal was to detect point sources in the images and to calculate their flux and position with optimization methods. Afterward, we determined via a variety of analyses if these were consistent with companions gravitationally bounded to the X-ray binary, or rather with background stars. This work acts as an introduction, albeit exploratory, to a new subfield of astrophysics that attempts to link exoplanetology and high-energy astrophysics.

Cette thèse est consacrée à l'étude des oscillations périodiques détectées lors des sursauts X des étoiles à neutrons, dans des binaires X de faible masse. Ces oscillations offrent un moyen de sonder l'intérieur de ces objets, en mesurant notamment leur masse et leur rayon, pour ainsi contraindre l'équation d'état de la matière dense. J'ai développé des méthodes de détection et d'analyse de ces signaux, de leurs propriétés temporelles et leur dépendance en énergie. J'ai analysé les oscillations détectées dans tous les sursauts X de type 1 (ainsi qu'un super-sursaut) de 3 étoiles à neutrons observées avec l'instrument Rossi X-ray Timing Explorer/Proportional Counter Array . Sur les courbes de lumière des sursauts, j'ai sélectionné les segments donnant la meilleure signification statistique, pour construire un catalogue de profils moyens d'oscillations. La forme des profils varie grandement d'un sursaut à un autre, pour une même source. Un grand nombre de paramètres peuvent affecter les oscillations. J'ai élaboré un modèle de tache chaude à la surface de l'étoile en rotation rapide pour caractériser l'émission du sursaut X, dans un espace-temps relativiste. En utilisant les chaînes de Markov Monte Carlo pour explorer efficacement un espace des paramètres conséquent, les ajustements sur un échantillon de sursauts ont démontré l'applicabilité du modèle. Par contre, les contraintes obtenues sur la masse et le rayon de l'étoile sont limitées par la qualité des données de l'instrument utilisé. Enfin, des simulations révèlent que des mesures précises sur les paramètres sont possibles en augmentant la surface collectrice des détecteurs, comme le proposent les observatoires X du futur.