L'étalonnage photométrique des imageurs grand champ est à ce jour la principale limitation pour plusieurs mesures de cosmologie, parmi lesquelles celle des paramètres cosmologiques à l'aide des supernovae de type Ia. Afin d'obtenir l'exactitude de l'ordre de 0.1% nécessaire pour les relevés futurs, les collaborations actives dans ce domaine explorent la possibilité de nouvelles techniques de calibration à l'aide d'instruments dédié comme alternative à celle traditionnelle à l'aide d'étoiles standard spectrophotométriques. Le groupe du LPNHE a conçu SNDice, un système d'illumination innovant et très stable qui a été installé dans la dôme du télescope Canada-France-Hawaii pour calibrer l'imageur MegaCam et en suivre les performances. Le but est de démontrer la faisabilité d'une calibration instrumentale absolue exacte à 0.1% ou mieux. Dans la première partie de la thèse, un bref aperçu du modèle standard de la cosmologie et des principales sondes étudiées pour en contraindre les paramètres est suivi par la description de MegaCam et SNDice. La seconde partie s'attache à présenter la construction d'un modèle optique de MegaCam et d'une modélisation géométrique permettant de connaître les attitudes de MegaCam et SNDice dans le dôme. Ces deux modèles ont été implémentés dans un logiciel traceur de rayons, créé à l'aide des librairies ROOT, de façon à simuler l'éclairement du plan focal. Cette simulation permet de distinguer l'illumination directe des contributions dues aux réflexions issues des surfaces du correcteur grand champ. Enfin, est présentée l'application de ces outils pour la première analyse des poses de calibration SNDice: la détermination de la bande passante rM de MegaCam.

Les explosions gamma (GRB) sont des évènements extrêmement violents. Ils sont sommairement classifiés en deux groupes par leur durée : les courts et les longs. Cette classification a permis de déterminer l'origine des GRBs : une collision entre deux objets compacts pour les courts ou l'explosion d'une étoile très massive pour les longs. Une meilleure classification des GRBs longs pourrait mieux contraindre leurs propriétés. Dans ma thèse, je présente des évidences de l'existence d'une sous-classification des GRBs basés sur la faible luminosité de leurs derniers reflets. Ces explosions sont appelées Low-Luminosity Afterflow (LLA). Je présente la technique de réduction des données, la méthode de sélection de ces GRBs ainsi que leurs principales propriétés. Leur lien avec les supernovæ (SN) est mis en évidence car 64 % de tous les GRBs associés à des Sns sont des LLA GRBs. Finalement, je présente d'autres propriétés comme leur fréquence, qui semble indiquer une nouvelle distincte classe, les propriétés de leurs galaxies hôte qui montrent que ces explosions ont pour origines des galaxies formant beaucoup d'étoiles. De plus, je montre qu'il est difficile de réconcilier les différences entre les GRBs normaux et les LLA GRBs en ne considérant que des effets instrumentaux et environnementaux, ou bien une géométrie différente. Donc je conclue que les deux classes de GRBs ont des propriétés différentes. En basant l'argumentation sur la fonction de masse initiale, sur la fréquence des LLA GRBs et sur le type de SNs qui les accompagnent, j'indique qu'un système binaire est favorisé pour leur origine. / Gamma-ray bursts (GRB) are extreme events. They are crudely classified into two groups based on their duration, namely the short and long bursts. Such a classification has proven to be useful to determine their progenitors: the merger of two compact objects for short bursts and the explosion of a massive star for long bursts. Further classifying the long GRBs might give tighter constraints on their progenitor and on the emission mechanism(s). In my thesis, I present evidence for the existence of a sub-class of long GRBs, based on their faint afterglow emission. These bursts were named low-luminosity afterglow (LLA) GRBs. I discuss the data analysis and the selection method, and their main properties are described. Their link to supernova is strong as 64\% of all the bursts firmly associated to SNe is LLA GRBs. Finally, I present additional properties of LLA GRBs: the study of their rate density, which seems to indicate a new distinct third class of events, the properties of their host galaxies, which show that they take place in young star-forming galaxies. Additionally, I show that it is difficult to reconcile all differences between normal long GRBs and LLA GRBs only by considering instrumental or environmental effects, different ejecta content or a different geometry for the burst. Thus, I conclude that LLA GRBs and normal long GRBs should have different properties. In a very rudimentary discussion, I indicate that a binary system is favored in the case of LLA GRB. The argument is based on the initial mass function of massive stars, on the larger rate density of LLA GRBs compared to the rate of normal long GRBs and on the type of accompanying SNe.

Les supernovas de type Ia (SNIa) sont des objets transitoires, observables pour une durée de quelques mois et dont la luminosité à son maximum équivaut à celle d'une galaxie entière. Une fois standardisées (c'est à dire corrigées de leurs principales variabilités), elles représentent, un excellent indicateur de distance et ont permis de mettre en évidence, en 1998, ce que l'on peut représenter comme une accélération de l’expansion de l'Univers. Cette thèse s’intéresse à trois points qui concerne l’étude de la cosmologie par les SNIa :En premier lieu on s'intéresse à la chaîne de production des données et à la qualité des images pour le Large Synoptic Survey Telescope (LSST), qui couvrira un large éventail de domaines scientifique, y compris l'observation des SNIa. Actuellement en préparation pour LSST (dont les observations commenceront en 2020), cette chaîne de production a été testée en effectuant le traitement d’images provenant d’un relevé antérieur (champ profond du CFHT). Les paramètres de qualité astrométriques et photométriques présentent une dispersion légèrement supérieure à celle requise par le cahier de charges du LSST. En ce qui concerne la photométrie, les sources de cette dispersion restent à être comprises. Pour ce qui est de l'astrométrie, la qualité obtenue sera vraisemblablement suffisante lorsque l'ajustement par astrométrie simultanée sera implémenté.Ensuite, on propose une méthode permettant de corriger l'effet induit par les vitesses propres des SNIa se trouvant dans des amas de galaxies. En effet, ces vitesses propres sont particulièrement importantes du fait des interactions gravitationnelles, et perturbent la mesure du décalage spectral cosmologique lié à l'expansion de l'Univers. On a pris en compte un échantillon de 145 SNIa à faible décalage spectral (0,005 < z < 0,123), observées par la collaboration Nearby SuperNova Factory. Parmi ces SNIa, 11 SNIa ont été associées à des amas de galaxies. Ces corrections de vitesses propres ont ainsi permis de diminuer la dispersion sur le diagramme de Hubble de 0,137+/-0,36 mag à 0,130 +/- 0,38 mag, pour les SNIa appartenant à des amas. Bien que le poids de ces corrections soit relativement modeste, on a montré qu'elles sont statistiquement significatives. Ce type de corrections pourraient être prises en considération dans de futures analyses cosmologiques. Enfin on s'intéresse à la question de la détectabilité de possibles anisotropies de l’expansion de l'Univers avec les données de SNIa. Étant donné que la distribution spatiale des données actuelles est connue pour limiter la détection d’une anisotropie dans les distances mesurées des SNIa, on a établi des simulations permettant de déterminer si un effet dipolaire d'amplitude comparable à la borne supérieure des observations actuelles (AD=10-3) pourrait être détecté avec les observations futures du LSST. Plusieurs scénarios ont été considérés, chacun considérant un nombre de SNIa différent. Chacun de ces scénarios est étudié suivant deux variantes correspondant à deux directions, l'une (polaire) pour laquelle la distribution de données de LSST serait la plus symétrique possible, l'autre suivant une direction perpendiculaire à celle-ci (équatoriale). On montre que pour les simulations comportant 5000 SNIa, un dipôle d’amplitude AD=10-3 serait détecté indépendamment de sa direction. On constate que la distance statistique entre les distributions obtenues pour un dipôle simulé et les simulations sans dipôle augmente à mesure que le nombre de SNIa simulées est grand. On constate aussi que cette distance statistique est plus grande pour les dipôles alignés sur la direction équatoriale que pour ceux suivant la direction polaire. (...) / Type Ia supernovae (SNIa) are transient objects, which remains observable in the optical for a period of a few months, and whose luminosity at its maximum is comparable to that of a whole galaxy. They represent, once standardized (i.e. corrected for their main variabilities), an excellent distance indicator and, in 1998, provided the first evidence for the acceleration of the expansion of the Universe. This thesis investigates three points in the cosmological SNIa pipeline:First, we focused on the data processing and the quality of the images for the Large Synoptic Survey Telescope (LSST), that will provide data for a number of cosmological observables, including the observation of SNIa. In preparation for LSST (which will start operations in 2020), we carried out a similar data processing strategy on images from a previous survey (deep field of CFHT) and compared to the required parameters of LSST. A dispersion slightly higher than that required was obtained. For photometry, although this excess is small, the sources of this dispersion remain to be understood. For astrometry, the obtained quality is likely to be sufficient when simultaneous astrometry fitting will be implemented.In a second moment, we propose a method to correct the effect of peculiar velocities of SNIa inside galaxy clusters. Indeed, these velocities ​​are more important in the clusters of galaxies, because of the gravitational interactions, and the measurement of the cosmological redshift related to the expansion of the Universe. These peculiar velocities were corrected using a sample of 145 SNIa with a low spectral shift (0.005<z<0.123), observed by the Nearby SuperNova Factory collaboration. Among these SNIa, 11 SNIa were associated with clusters of galaxies. These corrections made it possible to reduce the dispersion on the Hubble diagram, from 0.137 +/- 0.36 mag (before corrections) to 0.130 +/- 0.38 mag (after corrections), for SNIa belonging to clusters. Although the weight of these corrections is relatively modest, they have been shown to be statistically significant. Such corrections could be taken in account in future cosmological analysis. Finally, we focused on the question of the detectability of potential anisotropies in the expansion of the Universe with SNIa data. Since the spatial distribution of current data is known to limit our capability to detect anisotropies in the SNIa measured distances, simulations were made to determine whether a dipole effect of amplitude comparable to the upper bound of current observations (AD = 10-3) could be detected with future observations of the LSST. Several scenarios were considered, each taking into account a different number of SN. Each of these scenarios is studied according to two variants corresponding to two directions, one (polar) for which the distribution of data of LSST would be as symmetrical as possible, the other in a direction perpendicular to this one (equatorial). It is shown that for simulations with 5000 SNIa, an amplitude dipole AD = 10-3 would be detected independently of its direction. It can be seen that the statistical distance between the distributions obtained for a simulated dipole and the simulations without dipole increases as the number of simulated SNIa is large. We also note that this statistical distance is greater for the scenarios considering the equatorial direction than for the ones following the polar direction.All of the effects mentioned above will have a potential impact future cosmological results. How much these effects will affect our understanding of the complete cosmological model is still an open question, but the results we found in this thesis highlight the importance of further scrutinizing such systematics, whether at the level of the quality of images, systematic environmental effects such as the peculiar velocities ​​of the SNIa or of the cosmology model itself such as for the question of a potentially anisotropic universe.

Le système de télescopes H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) est une expérience d'Astronomie gamma constituée de quatre imageurs Tcherenkov atmosphériques destinés à observer le ciel gamma dans le domaine d'énergies supérieures à 100 GeV et s'étendant jusqu'à quelques dizaines de TeV.<br />Cette thèse présente une nouvelle méthode de reconstruction des gerbes électromagnétiques qui utilise l'ensemble de l'information fournie par la stéréoscopie et la haute définition des caméras de H.E.S.S.. Cette nouvelle méthode permet d'obtenir une résolution angulaire meilleure que le dixième de degré, une résolution en énergie de l'ordre de 15% au zénith, ainsi qu'un rejet hadronique très efficace à partir d'une coupure sur la largeur transverse de la gerbe reconstruite, et qui ne dépend d'aucune simulation.<br />Une nouvelle méthode de soustraction du fond hadronique adaptée à l'étude des sources étendues a aussi été mise en oeuvre. Cette méthode ne fait aucune hypothèse sur la distribution du fond hadronique ni sur le contenu en gamma de la région du ciel étudiée. Elle permet d'obtenir, par un maximum de vraisemblance, deux cartes globales: l'une pour la distribution des gamma dans le champ de vue, et l'autre pour la distribution des hadrons.<br />Ces deux nouvelles méthodes ont été appliquées à l'analyse des vestiges de supernovae RX J1713.7-3946 et RX J0852.0-4622 (Vela Junior), et ont permis de résoudre leur morphologie pour la première fois dans le domaine gamma. L'étude de ces sources a un objectif fondamental: permettre de savoir si les vestiges de supernovae sont bien des accélérateurs des rayons cosmiques, au moins jusqu'au domaine du genou (5*10^15 eV). Une étude morphologique et spectrale de ces sources conjointement à une comparaison avec un modèle simple des émissions gamma (à partir d'électrons ou de protons accélérés dans les vestiges de supernovae) a permis de contraindre les paramètres des modèles leptoniques. Toutefois, ce modèle n'a pu être exclu. Les différents résultats obtenus sont discutés et comparés au cas d'un troisième vestige de supernova à coquille observé par H.E.S.S. mais non détecté: SN 1006.

Les supernovae de type Ia (SNe Ia) sont de puissants indicateurs de distance cosmologique. Elles sont à l'origine de la découverte de l'énergie noire dans l'univers et restent aujourd'hui la meilleure méthode pour contraindre son équation d'état. Cependant, nous ignorons toujours le phénomène exact donnant naissance à ces supernovae. Notamment, nous ne connaissons pas l'influence de l'évolution des paramètres stellaires avec le redshift sur la luminosité de ces objets et donc sur les ajustements cosmologiques. De récentes études ont mis en évidence évidence des biais environnementaux ayant un impact significatif sur les mesures des paramètres cosmologiques. Cependant, ces études analysent les hôtes des SNe Ia dans leur globalité en négligeant les variations pourtant connues des propriétés stellaires et gazeuses au sein de ces galaxies. ! Dans cette thèse je montre comment les données de spectrographie à champ intégral de la collaboration The Nearby Supernova Factory permettent l'étude de l'environnement immédiat (~kpc) de la SNe Ia. Dans une première partie, j'introduis les bases physiques et le contexte scientifique dans lesquels ma thèse s'inscrit. Dans la seconde partie, je commence par détailler les techniques d'extraction des données environnementales locales et, une fois ces données extraites, je développe la mesure du taux de formation stellaire environnant les SNe Ia à partir du signal Hα. Dans mon analyse, je montre comment les propriétés des SNe Ia, et notamment leur luminosité standardisée, dépendent de la présence de formation stellaire à proximité. Ce biais, duquel découlent les biais environnementaux précédemment évoqués, a un impact significatif sur la cosmologie. En se basant sur les évolutions des propriétés stellaires des galaxies, je construit un modèle d'évolution de la luminosité moyenne des SNe Ia en fonction du redshift pour estimer cet impact; les données de la littérature semblent confirmer mes hypothèses. Ces résultats ont été publiés dans le journal européen Astronomy & Astrophysics (Rigault et al. 2013). Dans une troisième partie, je présente des analyses supplémentaires sur l'environnement local des SNe Ia et je suggère de nouvelles approches. ! Cette thèse a mis en évidence un biais environnemental important sur les propriétés des SNe Ia que seule l'analyse locale permet d'aborder. Cette découverte est une étape importante dans la compréhension de ces objets et dans l'amélioration de leur utilisation cosmologique.

La cosmologie est maintenant entré dans une ère de mesures de précision, et l'objectif des observations est maintenant la chasse aux contradictions au sein du Modèle Cosmologique. La mesure des distances de luminosité de SNe Ia en fonction de leur décalage vers le rouge a permis de découvrir l'accélération de l'expansion cosmique. Aujourd'hui, les SNe-Ia sont encore la sonde la plus sensible à w, l'équation d'état de l'énergie noire, et le nombre croissant de SNe-Ia sont détectés et étudiés par plusieurs collaborations partout dans le monde, afin d'affiner la mesure du valeur de w. La précision sur w est maintenant aussi bas que 7%, avec près de 1000 SNe-Ia dans le diagramme de Hubble. Malheureusement, la mesure est désormais dominé par les incertitudes systématiques, la principale source de la systématique en étant l'étalonnage photométrique des imageurs utilisés pour mesurer le flux des SNe Ia. Ce travail de thèse a pour sujet l'étalonnage photométrique. Pour améliorer les résultats actuels, les astronomes n'ont pas d'autre choix que de revoir les systèmes d'étalonnage anciens. Depuis 2005, les collaborations sur l'énergie noire ont lancé des efforts d'étalonnage ambitieux, redéfini les standards primaires et la métrologie entre ces standards et leurs images scientifiques pour pousser le budget d'erreur bien inférieure à 1%. Depuis 2008, le groupe de Cosmologie de l'LPNHE a été impliqué dans la construction d'un système d'étalonnage spectrophotométrique pour la dernière génération des imageurs grand-champ. En particulier, l'équipe a conçu et construit SkyDICE (SkyMapper Direct Illumination Calibration Experiment), installé dans le dôme du télescope SkyMapper (Observatoire Siding Springs, Australie). Dans ce projet nous avons montré qu'il est possible de construire une source lumineuse à base des LEDs qui échantillonnent uniformément toute la gamme des longueur d'ondes visible du télescope SkyMapper. La stabilité de la source est remarquable, allant de quelques 10-4 pour la majorité des LEDs, à 10−3 pour les canaux les moins stables. J'ai détaillé l'étalonnage spectrophotométrique de l'appareil sur notre banc de test au LPNHE. Plus important encore, j'ai montré qu'il est possible de construire un modèle spectrophotométrique de chaque LED, qui peut prédire le spectre des LEDs à n'importe quelle température T. Chacun de ces modèles est livré avec un budget d'incertitude que représente (1)-le nombre limité de mesures spectroscopiques et photométriques et (2)-les incertitudes du banc de test. Enfin, j'ai décrit une méthode pour calibrer les bandes passantes effectives de l'imageur, et de surveiller les filtre avec des sériés d'images d'étalonnage prises avec SkyDICE. Cette méthode prend en compte toutes les incertitudes du banc d'essai et le propage aussi exactement que possible. Le méthode est actuellement appliqué à l'ensemble de données réelles de SkyDICE, et ce qui a été présenté ici est un ensemble de tests effectués sur des ensembles de données simulées. Un résultat important de ce travail est que, malgré le fait que les LEDs ne sont pas des sources monochromatiques, nous sommes en mesure de contrôler la position des fronts de filtre avec une précision bien inférieure à 1-nm. En ce qui concerne la bande passante étalonné, nous avons calculé les incertitudes affectant nos estimations sur la normalisation de la bande passante, par rapport à la bande r. Dans le meilleur scénario, où les incertitudes sont tous corrélés positivement, nous avons montré que, après quelques analyses d'étalonnage, nous nous attelons à une précision d'environ 0,4% dans les bandes u et v et d'environ 0,3% dans les autres bandes. L'analyse de l'ensemble de données des SkyDICE est toujours en cours et le premier contraintes seront publiés bientôt.

Cette thèse d'habilitation consiste en trois petits articles de revue indépendants, couvrant mes activités passées au sein du groupe de cosmologie du LPNHE. Le premier chapitre est consacré à la mesure de l'histoire de l'expansion cosmique avec des supernovae de type Ia (SNe Ia). Les techniques de détermination de distance de luminosité mises en oeuvre au sein du Supernova Legacy Survey (SNLS) sont détaillées. Les résultats de l'analyse des trois premières années de données du SNLS sont présentés. Le second chapitre traite d'un ingrédient essentiel de ce type d'analyse, à savoir la calibration photométrique des imageurs grand-champ utilisés pour mesurer le flux des supernovae. Les techniques développées pour la calibration du survey SNLS (Regnault et al, 2009), puis quelques années plus tard pour l'intercalibration des surveys SNLS et SDSS-II (Betoule et al, 2013) sont présentées en détail. Enfin, le dernier chapitre présente les nouveaux projets de calibration instrumentale imaginés par plusieurs équipes dans le monde. Dans notre exposé, l'accent est mis sur le projet de calibration DICE, développé par le groupe du LPNHE. Au coeur de DICE est une source de calibration multi-longueur d'onde ultra-stable, réalisée au laboratoire, et testée notamment auprès du Canada-France-Hawaii Telescope (CFHT, Mauna Kea, Hawaii).

Les vents galactiques sont des éléments importants à considérer dans les simulations numériques à grande échelle car ils ont des impacts sur la formation des galaxies environnantes. Puisque les galaxies sont mal résolues dans de telles simulations, les vents galactiques sont habituellement générés par des méthodes semi-analytiques. Dans le cadre de ce projet, un modèle galactique a été développé afin d'améliorer le modèle semi-analytique de Pieri et al. (2007). Ce nouveau modèle permet de suivre de manière consistante l'évolution de l'enrichissement des galaxies en tenant compte des vents stellaires, des supernovae et de différents scénarios de formation stellaire. Les vents galactiques sont générés par l'énergie thermique provenant des supernovae et des vents stellaires à l'intérieur des galaxies. Avec ce formalisme, seules les galaxies ayant une masse inférieure ou égale à 10¹⁰ MQ risquent de contribuer à l'enrichissement du milieu intergalactique. La distribution des vents galactiques dans ce milieu est calculée en respectant l'ordre chronologique des éjectas. De plus, la composition de ce vent peut désormais être décomposée en 31 éléments chimiques. Pour la même quantité d'étoiles formées durant l'évolution galactique, un taux de formation stellaire de longue durée produit un plus long vent galactique qu'un taux de formation stellaire de courte durée. Cependant, ce vent est alors moins dense et moins concentré en métaux. En augmentant l'efficacité de formation stellaire, la portée et la métallicité du vent galactique augmentent également. Par contre, dans certains cas, une trop grande quantité d'étoiles peut complètement balayer le milieu interstellaire de son gaz, ce qui altère l'évolution du vent galactique. Pour respecter la quantité de métaux observée dans le milieu intergalactique, les vents galactiques doivent provenir des galaxies ayant possédé une métallicité initiale différente de zéro au moment de leur formation. Dans ce cas et lors d'une collision galactique, les vents stellaires peuvent contribuer de manière significative au bilan énergétique et à la quantité de carbone et d'azote éjectée dans le milieu intergalactique.

Cette thèse présente un travail sur la détermination des paramètres cosmologiques, décrivant le contenu énergétique de l'Univers et sa courbure, à partir des données actuelles de supernovæ (UNION), du fond diffus cosmologique (WMAP) et des oscillations acoustiques de baryons (SDSS). L'observation de supernovæ de type Ia a mis en 'évidence l'accélération de l'expansion de l'Univers souvent expliquée par une énergie noire, de nature inconnue. Dans ce cadre, nous avons d'abord réalisé une analyse combinée de ces trois sondes qui montre que les données sont compatibles avec le modèle ¤CDM. A l'aide de simulations, nous avons étudiée en détail les diverses hypothèse souvent utilisées pour extraire les paramétres cosmologiques. En particulier, la dégénérescence géométrique implique souvent de supposer la platitude. Nous avons 'étudiée en détail le biais induit par cette hypothèse. Nous avons conclu qu'un univers courbe d'énergie noire dynamique peut être interprété comme un univers plat avec une constante cosmologique.

L'expérience H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System), située en Namibie, est un réseau de télescopes basé sur la technique d'imagerie Tcherenkov atmosphérique en stéréoscopie et dédié à l'astronomie gamma entre 100 GeV et quelques dizaines de TeV. H.E.S.S. dispose d'une situation géographique idéale pour observer notre galaxie, la Voie Lactée, et a ainsi pu découvrir des dizaines de nouvelles sources gamma grâce à sa stratégie de relevé systématique du plan galactique. Après environ dix ans d'observations fructueuses, les limites de l'instrument doivent désormais être repoussées pour pouvoir détecter de nouvelles sources plus faibles. Le développement d'algorithmes avancés permettant d'améliorer la sensibilité et la résolution angulaire de l'instrument est au coeur de cette thèse. Un outil de recherche automatique de nouvelles sources ainsi qu'une amélioration de la soustraction du bruit de fond sont présentés dans le cadre de l'étude des sources très faibles, nécessitant une analyse particulièrement rigoureuse. Une méthode combinant différentes techniques de reconstruction des événements est développée et permet d'améliorer la résolution angulaire sans diminuer la statistique, cruciale pour l'étude des sources faibles. Ces techniques avancées sont appliquées à l'analyse d'une région complexe du plan galactique, autour du vestige de supernova G22.7-0.2, qui a conduit à la détection d'une nouvelle source, HESS J1832-092. Les contreparties multi-longueurs d'onde à cette source sont présentées et différents scénarios sont envisagés pour expliquer l'origine de l'émission gamma de cet objet astrophysique.