Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L'objectif de cette thèse est d'étudier la possibilité de construire la fonction de corrélation à 2 points des amas de galaxies détectés dans les grands relevés optiques de galaxies. En particulier j’étudie l’impact de décalages vers le rouge dégradés car dérivés de données photométriques seules comme cela sera le cas pour les grands relevés à venir. J’ai utilisé des sous-échantillons d’amas sélectionnés dans les catalogues simulés. Les décalages vers le rouge des amas sont modélisés à partir des décalages exacts auxquels sont rajoutés un brui gaussien d’écart type σ (z=0) = 0.005 à 0.050. La fonction de corrélation dans l’espace direct est calculées par une méthode de déprojection. L’étude a été menée sur 4 intervalles de masse et 6 de redshift couvrant le domaine 0<z<2, en s’appuyant dans un premier temps sur les redshifts cosmologiques, puis sur les redshifts bruités. Un accroissement clair de l’amplitude de corrélation avec le redshift et la masse a été trouvé. L’évolution du paramètre de biais b(M,z) est en bon accord avec les prédictions théoriques. La relation d’échelle r0-d est aussi confirmée pour tous les échantillons jusqu’aux plus hauts redshifts et masses. Pour les échantillons bruités il est montré que la fonction de corrélation peut être reconstruite avec une précision de 10% pour σ (z=0) = 0.030. Les paramètres des ajustements ainsi que les biais reconstruits pour tous les bruits envisagés sont compatibles avec le cas non bruité dans un intervalle de 1σ. L’impact de la sélection des échantillons en richesse plutôt qu’en masse est aussi envisagé. Il est montré que Σ(>N200) est similaire à Σ(>masse), ainsi que la fonction de biais qui peut être reproduite à 1σ près. / I aim to study to which accuracy it is actually possible to recover the real-space to-point correlation function from cluster catalogues based on photometric redshifts. I make use of cluster sub-samples selected from a light-cone simulated catalogue. Photometric redshifts are assigned to each cluster by randomly extracting from a Gaussian distribution having a dispersion varied in the range σ (z=0) = 0.005 à 0.050. The correlation function in real-space is computed through deprojection method. Four masse ranges and six redshifts slices covering the redshift range 0<z<2 are investigated, using cosmological redshifts (Zc) and then using photometric redshifts. A clear increase of the corretation amplitude with redshift and mass is found. The evolution of the bias parameter b(M,z) is in fair agreement with the theoretical expectations. The existence of the r0-d relation up to the highest mass, highest redshift sample is tested and is confirmed. It is found that the real-space correlation function can be recovered within and accuracy of 10% for σ (z=0) = 0.030. The best-fit parameters as well as the bias for all σz, are within the 1σ uncertainty of the Zc sample.

Des systèmes d'absorption Lorentziens, qui sondent les nuages de gaz HI de plus hautes densités de colonne, servent ici à sonder les environnements de galaxies hôtes de noyaux actifs à grand décalage spectral (z > 2). Ceci permet d'étudier l'effet des mécanismes de rétroaction des noyaux actifs sur les galaxies hôtes, tel que les vents à haute vitesse et l'ionisation intense. J'implémente deux techniques pour identifier les systèmes Lorentziens au décalage spectral du quasar dans les données du Sloan Digital Sky Survey III Baryon Oscillation Spectroscopic Survey.Un tel système Lorentzien fait office de coronographe naturel puisqu'il absorbe complètement le rayonnement provenant du noyau actif. Parfois une raie Lyα étroite émise par la galaxie est superposée à l'absorption. J'étudie un échantillon statistiquement complet et je caractérise l'émission. Les systèmes Lorentziens qui révèlent les raies étroites d'émission Lyα les plus lumineuses proviennent de nuages denses et compacts dans la galaxie hôte. Les autres sont dus à des galaxies voisines du quasars.Une deuxième technique consiste à observer des paires de quasars ayant une petite séparation angulaire pour sonder les environnements des galaxies hôtes à des distances transverses inférieures à 90 kpc. J'analyse les propriétés du gaz pour des paires où un système Lorentzien apparait dans le spectre du quasar d'arrière plan coïncident avec le pic d'émission Lyα du quasar de premier plan.Dans une des paires, je détecte une sur-densité de systèmes absorbants à z = 2.69 dans une région correspondant à 6.4 Mpc en distance propre. Les propriétés de cette région suggèrent un filament du milieu intergalactique. / Damped Lyman-α absorbers (DLAs), the highest column density HI Lyman-α (Lyα) absorptions, are used in this thesis to study the environments of high-redshift (z > 2) quasar host galaxies. This is essential for determining how feedback mechanisms from active galactic nuclei (AGN), including high-velocity winds and intense ionizing radiation, impact the host galaxies. Thanks to the large number of quasar sight-lines from the Sloan Digital Sky Survey III Baryon Oscillation Spectroscopic Survey, I implement two techniques to identify DLAs that occur at the quasar redshift.Along the sight-line, these DLAs act as natural coronagraphs and completely absorb the broad Lyα emission from the central AGN. In some cases, a narrow Lyα emission line from the quasar host galaxy is superimposed on the DLA trough. I compare coronagraph DLAs that reveal narrow Lyα emission with those that do not in a statistically complete sample and characterize the emission. DLAs with the most luminous narrow Lyα emission peaks may arise from dense, compact clouds in the host galaxy, while the others may be due to neighboring galaxies. With a second technique, I use pairs of quasars with small angular separations to investigate host galaxy environments at distances of less than 90 kpc in the transverse direction. I analyze the gas properties for pairs where a DLA appears in the background quasar spectrum coincident with the foreground quasar Lyα emission peak.In one of the pairs, I also detect an overdensity of Lyman-limit system absorbers at z = 2.69 in a region spanning 2000 km/s (6.4 Mpc proper distance) along the two sight-lines. The overdense region properties suggest an intergalactic medium filament.

L'énergie sombre est l'un des grands mystères de la cosmologie moderne, responsable de l'actuelle accélération de l'expansion de notre Univers. Son étude est un des axes principaux de ma thèse : une des voies que j'exploite s'appuie sur la structuration de l'Univers à grande échelle à travers un effet observationnel appelé effet Sachs-Wolfe intégré (iSW). Cet effet est théoriquement détectable dans le fond diffus cosmologique (FDC) : avant de nous parvenir cette lumière traverse un grand nombre grandes structures sous-tendues par des potentiels gravitationnels. L'accélération de l'expansion étire et aplatit ces potentiels pendant le passage des photons du FDC, modifiant leur énergie d'une façon dépendante des caractéristiques de l'énergie sombre. L'effet iSW n'a qu'un effet ténu sur le FDC, obligeant l'utilisation de données externes pour le détecter. Une approche classique consiste à corréler le FDC avec un traceur de la distribution de la matière, et donc des potentiels sous-jacents. Maintes fois tentée avec des relevés de galaxies, cette corrélation n'a pas donné à l'heure actuelle de résultat définitif sur la détection de l'effet iSW, la faute à des relevés pas assez profonds et/ou avec une couverture trop faible. Un partie de ma thèse est dédiée à la corrélation du FDC avec un autre fond "diffus" : le fond diffus infrarouge (FDI), qui est constitué de l'émission intégrée des galaxies lointaines non-résolues. J'ai pu montrer qu'il représente un excellent traceur, exempt des défauts des relevés actuels. Les niveaux de signifiance attendus pour la corrélation CIB-CMB excèdent ceux des relevés actuels, et rivalisent avec ceux prédits pour la futur génération de très grands relevés. Dans la suite, ma thèse a porté sur l'empreinte individuelle sur le FDC des plus grandes structures par effet iSW. Mon travail sur le sujet a d'abord consisté à revisiter une étude précédente d'empilement de vignettes de FDC à la position de structures, avec mes propres protocole de mesure et tests statistiques pour vérifier la signifiance de ces résultats, délicate à évaluer et sujette à de possibles biais de sélection. J'ai poursuivi en appliquant cette même méthode de détection à d'autres catalogues de structures disponibles, beaucoup plus conséquents et supposément plus raffinés dans leur algorithme de détection. Les résultats pour un d'eux suggère la présence d'un signal à des échelles et amplitudes compatible avec la théorie, mais à des niveaux modérés de signifiance. Ces résultats empilements font s'interroger concernant le signal attendu : cela m'a amené à travailler sur une prédiction théorique de l'iSW engendré par des structures, par des simulations basées sur la métrique de Lemaître-Tolman-Bondi. Cela m'a permis de prédire l'effet iSW théorique exact de structures existantes : l'amplitude centrale des signaux mesurés est compatible avec la théorie, mais présente des caractéristiques non-reproductibles par ces mêmes prédictions. Une extension aux catalogues étendus permettra de vérifier la signifiance de leurs signaux et leur compatibilité avec la théorie. Un dernier pan de ma thèse porte sur une époque de l'histoire de l'Univers appelée réionisation : son passage d'un état neutre à ionisé par l'arrivée des premières étoiles et autres sources ionisantes. Cette période a une influence importante sur le FDC et ses propriétés statistiques, en particulier sur son spectre de puissance des fluctuations de polarisation. Dans mon cas, je me suis penché sur l'utilisation des mesures de températures du milieu intergalactique, afin d'étudier la contribution possible de la désintégration et annihilation de l'hypothétique matière sombre. A partir d'un travail théorique sur plusieurs modèles et leur comparaison aux observations de température, j'ai pu extraire des contraintes intéressantes et inédites sur les paramètres cruciaux de la matière sombre et des caractéristiques cruciales de la réionisation elle-même. / The dark energy is one of the great mysteries of modern cosmology, responsible for the current acceleration of the expansion of our Universe. Its study is a major focus of my thesis : the way I choose to do so is based on the large-scale structure of the Universe, through a probe called the integrated Sachs-Wolfe effect (iSW). This effect is theoretically detectable in the cosmic microwave background (CMB) : before reaching us this light travelled through large structures underlain by gravitational potentials. The acceleration of the expansion stretches and flattens these potentials during the crossing of photons, changing their energy, in a way that depend on the properties of the dark energy. The iSW effect only has a weak effect on the CMB requiring the use of external data to be detectable. A conventional approach is to correlate the CMB with a tracer of the distribution of matter, and therefore the underlying potentials. This has been attempted numerous times with galaxies surveys but the measured correlation has yet to give a definitive result on the detection of the iSW effect. This is mainly due to the shortcomings of current surveys that are not deep enough and/or have a too low sky coverage. A part of my thesis is devoted to the correlation of FDC with another diffuse background, namely the cosmological infrared background (CIB), which is composed of the integrated emission of the non-resolved distant galaxies. I was able to show that it is an excellent tracer, free from the shortcomings of current surveys. The levels of significance for the expected correlation CIB-CMB exceed those of current surveys, and compete with those predicted for the future generation of very large surveys. In the following, my thesis was focused on the individual imprint in the CMB of the largest structures by iSW effect. My work on the subject first involved revisiting a past study of stacking CMB patches at structures location, using my own protocol, completed and associated with a variety of statistical tests to check the significance of these results. This point proved to be particularly difficult to assess and subject to possible selection bias. I extended the use of this detection method to other available catalogues of structures, more consequent and supposedly more sophisticated in their detection algorithms. The results from one of them suggests the presence of a signal at scales and amplitude consistent with the theory, but with moderate significance. The stacking results raise questions regarding the expected signal : this led me to work on a theoretical prediction of the iSW effect produced by structures, through simulations based on the Lemaître-Tolman-Bondi metric. This allowed me to predict the exact theoretical iSW effect of existing structures. The central amplitude of the measured signals is consistent with the theory, but shows features non-reproducible by my predictions. An extension to the additional catalogues will verify the significance of their signals and their compatibility with the theory. Another part of my thesis focuses on a distant time in the history of the Universe, called reionisation : the transition from a neutral universe to a fully ionised one under the action of the first stars and other ionising sources. This period has a significant influence on the CMB and its statistical properties, in particular the power spectrum of its polarisation fluctuations. In my case, I focused on the use of temperature measurements of the intergalactic medium during the reionisation in order to investigate the possible contribution of the disintegration and annihilation of the hypothetical dark matter. Starting from a theoretical work based on several models of dark matter, I computed and compared predictions to actual measures of the IGM temperature, which allowed me to extract new and interesting constraints on the critical parameters of the dark matter and crucial features of the reionisation itself

La dynamique de formation des structures de l'Univers est habituellement décrite dans le cadre du modèle standard de Cosmologie. Cependant, pour que les observations cosmologiques soient cohérentes avec le modèle standard, il est nécessaire de supposer l'existence d'une grande proportion d'éléments de nature inconnue dans le contenu de l'Univers. Pour tenter de résoudre cette énigme, nous ne considèrerons pas d'autres sources dans le contenu de l'Univers que celles ordinaires et resterons dans le cadre de la Relativité Générale. Nous développerons néanmoins une description plus réaliste de la formation de structures dans le cadre de la théorie d'Einstein. Ainsi, contrairement au modèle standard de Cosmologie, nous ne supposerons pas que l'Univers moyenné est une solution homogène et isotrope des équations d'Einstein. Lors de mon travail sous la direction de Thomas Buchert, j'ai participé au développement d'un formalisme perturbatif permettant une description plus réaliste de la dynamique de l'espace-temps. J'ai également contribué à l'obtention de solutions relativistes à la partie gravitoélectrique des équations d'Einstein en généralisant les solutions perturbatives newtoniennes. Ces travaux ont été réalisés dans le cadre d'une approche lagrangienne intrinsèque, évitant ainsi de définir les grandeurs physiques sur un fond plat. L'approche gravitoélectromagnétique que j'ai adoptée m'a permis une interprétation nouvelle et performante des solutions des équations d'Einstein. Enfin, j'ai étudié l'impact de la topologie sur la dynamique des ondes gravitationelles à l'aide d'une description globale de l'hypersurface spatiale, permise par des théorèmes mathématiques puissants / The dynamics of structure formation in the Universe is usually described by Newtonian numerical simulations and analytical models in the frame of the Standard Model of Cosmology. The structures are then defined on a homogeneous and isotropic background. Such a description has major drawbacks since, to be self-consistent, it entails a large amount of dark components in the content of the Universe. To address the problem of dark matter and dark energy, we will neither suppose that exotic sources contribute to the content of the Universe, nor that General Relativity is obsolete. We will develop a more realistic description of structure formation in the frame of General Relativity and thus no longer assume that the average model is a homogeneous-isotropic solution of the Einstein equations, as claimed by the Standard Model of Cosmology. During my work under the supervision of Thomas Buchert, I contributed to the development of the perturbative formalism that enables a more realistic description of spacetime dynamics. In the framework of the intrinsic Lagrangian approach, which avoids defining physical quantities on a flat background, I contributed to the building of relativistic solutions to the gravitoelectric part of the Einstein equations from the generalization of the Newtonian perturbative solutions. Moreover, the gravitoelectromagnetic approach I worked with has provided a new understanding of the dynamics of the analytical solutions to the field equations. Finally, treating globally the spatial manifold, I used powerful mathematical tools and theorems to describe the impact of topology on the dynamics of gravitational waves

La propagation des ondes acoustiques dans le plasma primordial a laissé son empreinte sous la forme d'un pic dans la fonction de corrélation à deux points de la densité de matière. Ce pic d'oscillations acoustiques de baryons (BAO) constitue une échelle standard permettant de déterminer certains paramètres des différents modèles cosmologiques.Dans ce manuscrit de thèse, nous présentons une mise à jour de la mesure de BAO à un redshift z=2.40, à l'aide de la fonction de corrélation croisée entre deux traceurs des fluctuations primordiales de densité de matière: les quasars de SDSS-III (BOSS) et leurs fluctuations d'absorption du flux des forêts Lyman-α. Ces fluctuations tracent la distribution d'hydrogène neutre dans le milieu intergalactique (IGM).Cette étude constitue le premier développement d'un ajustement entièrement physique de la fonction de corrélation croisée; il prend notamment en compte la physique des quasars et la présence d'éléments plus lourds que l'hydrogène dans l'IGM. Nous y présentons également les premières simulations de notre analyse. Celles-ci nous permettent de valider l'ensemble de la procédure de mesure de l'échelle BAO.Cette étude mesure la distance de Hubble et la distance de diamètre angulaire avec respectivement une précision de 2% et 3% (intervalle à 1 σ). Nous combinons nos résultats avec d'autres mesures de BAO à des redshifts plus faibles et trouvons la densité de matière noire et d'énergie noire dans le cadre de deux différents modèles cosmologiques: ΛCDM et oΛCDM. / The acoustic wave propagation in the primordial plasma left its imprint in the two-point correlation function of the matter density field. This baryonic acoustic oscillation (BAO) peak builds up a standard ladder allowing us to infer some parameters of the different cosmological models.In this thesis manuscript we present an update of the BAO measurement at a redshift z=2.40, from the cross-correlation function between two tracers of the primordial matter density fluctuations: quasars of SDSS-III (BOSS) and their Lyman-α-forest absorption fluctuations. These fluctuations trace the neutral hydrogen distribution in the intergalactic medium (IGM).This study gives the first developpment of the full physical fit of the cross-correlation. Among other effects, it takes into account quasar physics and the distribution of IGM elements heavier than hydrogen. We also present the first simulations of our analysis. They allow us to validate the overall data analysis leading to the BAO measurement.This study measures the Hubble distance and the angular diameter distance at the 2%$ and 3%$ precision level respectivelly (1 σ interval). We combine our results with other BAO measurements at lower redshifts and find the dark matter density and dark energy density in the framework of two different cosmological models: ΛCDM et oΛCDM.

La thématique principale de mon travail de thèse est l’é;volution et la formation structures en fonction du décalage vers le rouge (redshift par la suite).Mon travail de thèse se divise en deux parties distinctes, qui finalement se regroupent au cours de mes derniers travaux. Dans un premier temps, j’ai étudié l’évolution du Fond Diffus Infrarouge (Cosmic Infrared Background, CIB par la suite) en fonction du redshift à 70 et 160 µm en utilisant des données provenant du satellite Spitzer. J’ai effectué ce travail dans les champs GOODS & COSMOS en appliquant la méthode d’empilement (stacking, par la suite). Dans un second temps, j’ai étudié la distribution de masse dans des amas de galaxies situé à grand redshift en utilisant le lentillage gravitationnel faible. Pour ce faire, j’ai utilisé des données optiques provenant du satellite spatial Hubble (Hubble Space Telescope, HST par la suite). Ces données proviennent du relevé d’amas MACS (MAssive Cluster Survey). Les amas de galaxies étudiés ici font partis d’un sous-échantillon MACS, l’échantillon "grand-z" (high-z subsample). Comprendre l’état d’évolution des amas de galaxies à grand redshift permettrait de mettre des contraintes sur les modèles de formation et d’évolution des structures. La compréhension du cycle d’évolution des amas de galaxies est l’un des enjeux majeurs de la Cosmologie observationnelle actuelle. / The principal thematic of my thesis work is the evolution and the formation of structures as a function of the redshift.My thesis analysis can be separated un two distinct parts, which can finally be merged in a third part with my last works.Firstly, I studied the evolution of the Cosmic Infrared Background (CIB) as a function of redshift at 70 and 160 µm using data from the Spitzer Space Telescope. This analysis was performed in the GOODS & COSMOS fields by applying a stacking method.Secondly, I studied the mass distribtuion in massive galaxy clusters at high redshifts by using the gravitational lensign effect.I used optical data coming from the Hubble Space Telescope. The sample of galaxy clusters I used comes from a subsample of the MAssive Cluster Survey (MACS, PI:E. Ebeling) named the "high-z" sample, and which comprises 12 clusters.Understanding the state of evolution of galaxy clusters at high redshift wil allow us to put constraints on formation and evolution models of structures. The understanding of the evolution cycle of galaxy clusters is mandatory in terms of Observational Cosmology.

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