La description de l’évolution à long-terme des systèmes astrophysiques auto-gravitants tels que les disques stellaires, fait aujourd’hui l’objet d’un regain d’intérêt sous l’impulsion de deux développements récents. Cela repose tout d’abord sur le succès de la théorie Lambda-CDM pour décrire la formation des grandes structures et leurs interactions avec le milieu circum-galactique. En outre, de nouveaux développements théoriques permettent maintenant de décrire précisément l’amplification des perturbations extérieures ou internes, et leurs effets sur la structure orbitale d’un système sur les temps cosmiques. Ces progrès complémentaires nous permettent d’aborder la question lancinante des rôles respectifs de l’inné et de l’acquis sur les propriétés observées des systèmes auto-gravitants. Cette thèse est consacrée à la description de ces dynamiques séculaires, notamment lorsque l’auto-gravité joue un rôle important. Deux formalismes de diffusion, externe et interne, seront présentés en détail, et appliqués à différents problèmes astrophysiques. Dans un premier temps, nous étudierons les disques stellaires discrets infiniment fins, et retrouverons la formation d’étroites arêtes d’orbites résonantes en accord avec les observations et les simulations numériques, par le biais de la première mise en oeuvre de l’équation de Balescu-Lenard. Nous considérerons ensuite le mécanisme d’épaississement spontané des disques stellaires sous l’effet du bruit de Poisson. Enfin, nous illustrerons comment ces formalismes permettent également de décrire la dynamique des étoiles orbitant un trou noir supermassif dans les centres galactiques. / Understanding the long-term evolution of self-gravitating astrophysical systems, such as for example stellar discs, is now a subject of renewed interest, motivated by the combination of two factors. On the one hand, we now have at our disposal the well established Lambda-CDM model to describe the formation of structures and their interactions with the circum-galactic environment. On the other hand, recent theoretical works now provide a precise description of the amplification of external disturbances and discreteness noise, as well as their effects on a system’s orbital structure over cosmic time. These two complementary developments now allow us to address the pressing question of the respective roles of nature vs. nurture in the establishment of the observed properties of self-gravitating systems. The purpose of the present thesis is to describe such secular dynamics in contexts where self-gravity is deemed important. Two frameworks of diffusion, either external or internal, will be presented in detail, and applied to various astrophysical systems. This thesis will first investigate the secular evolution of discrete razor-thin stellar discs and recover the formation of narrow ridges of resonant orbits in agreement with observations and numerical simulations, thanks to the first implementation of the Balescu-Lenard equation. The spontaneous thickening of stellar discs as a result of Poisson shot noise will also be investigated. Finally, we will illustrate how the same formalisms allow us to describe the dynamics of stars orbiting a central super massive black hole in galactic centres.

Les mathématiques sont comprises en tant qu’ensemble d’idées abstraites, dans le sens où le monde réel – ou plutôt réalité – n’a pas à intervenir. Pourtant, certains faits mathématiques observables dans des données expérimentales ou simulées peuvent être contre-intuitifs. La thèse est divisée en deux parties : premièrement, on étudie mathématiquement les matrices du genre celles dont nous avons discutées en biologie et finance. En particulier, nous mettons en évidence le fait contre-intuitif suivant : pour ces matrices, le vecteur propre associé à la plus haute valeur propre est très proche de la somme de chacune des lignes de la matrice, colonne par colonne. Nous discutons aussi d’applications en théorie des graphes avec bon nombre de simulations numériques. Dans un second temps, nous attaquons le problème des contacts géniques : à partir d’une carte de contact génique, un vrai défi actuel est de retrouver la structure tridimensionnelle de l’ADN. Nous proposons diverses méthodes d’analyse matricielle de données, dont une met en évidence l’existence, dans le noyau, de zones disjointes où les interactions sont de différents types. Ces zones sont des compartiments nucléaires. Avec d’autres données biologiques, nous mettons en évidence la fonction biologique de chacun de ces compartiments. Les outils d’analyses sont ceux utilisés en finance pour analyser des matrices d’auto-corrélation, ou même des séries temporelles. / Mathematics are understood as a set of abstract ideas, in the measure of the real world – or reality – has no way to intervene. However, some observable mathematical facts in experimental or simulated data can be counter-intuitive. The PhD is divided into two parts: first, we mathematically study the matrices of the same type of the ones in biology and finance. In particular, we show the following counter-intuitive fact: for these matrices, the eigenvector associated with the highest eigenvalue is close to the sum of each row, column by column. We also discuss some applications to graph theory with many numerical simulations and data analysis.On the other hand, we will face the genetic contact problem: from a contact map, a real current challenge is to find the DNA 3D-structure. We propose several matrix analysis methods, which one show disjoinct areas in the nucleus where the DNA interactions are different. These areas are nuclear compartments. With other biological features, we characterize the biological function of each of the compartments. The analysis tools are the ones already used in finance to analyze the autocorrelation matrices, or even time series.

Ce manuscrit présente l'étude et l'analyse d'écoulements de gaz raréfiés, induits par la transpiration thermique. Le terme de transpiration thermique désigne le mouvement macroscopique d'un gaz raréfié engendré par l'effet du seul gradient de température. L'aspect principal de ce travail est centré autour de la mesure du débit stationnaire déclenché en soumettant un micro tube à un gradient de température appliqué le long de son axe. On a développé à cet effet un appareillage expérimental original ainsi qu'une méthodologie expérimentale innovatrice basée sur la dépendance du phénomène, analysé dans son ensemble, à l'égard du temps. Les résultats obtenus pour le débit stationnaire initial de transpiration thermique et pour les paramètres thermo-moléculaires caractérisant l'équilibre final de débit nul, ont été comparés aux résultats obtenus numériquement par la résolution de l'équation cinétique modèle de Shakhov et par la méthode de simulation directe de Monte-Carlo. / This thesis presents the study and analysis of rarefied gas flows induced by thermal transpiration. Thermal transpiration refers to the macroscopic movement of rarefied gas generated by a temperature gradient. The main aspect of this work is centered around the measurement of the mass flow rate engendered by subjecting a micro-tube to a temperature gradient along its axis. In this respect, an original experimental apparatus and an original time-dependent experimental methodology was developed. The experimental results for the initial stationary thermal transpiration mass flow rate and for the final zero- flow thermal molecular parameters were compared with the results obtained from the numerical solution of the Shakhov model kinetic equation and the direct simulation Monte Carlo method.

Les méthodes Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) sont utilisées par Ariane group pour calculer les torseurs d'efforts aérodynamiques et les flux thermiques sur les engins spatiaux pour des écoulements hypersoniques en milieu raréfié.Afin de pouvoir caractériser la dislocation des étages de lanceurs et donc l'empreinte de retombée de débris, une modélisation précise des mécanismes générateurs de flux thermiques est nécessaire. Les réactions chimiques étant dimensionnantes pour le calcul du flux thermique, l'objectif de cette thèse est de développer l'outil de calcul avec la méthode DSMC nommé IEMC de manière à pouvoir prendre en compte les écoulements réactifs.Deux modèles de chimie sont mis en place pour pouvoir prendre en compte la totalité des réactions. Après leur vérifications sur des cas élémentaires, ils sont appliqués et validés sur des cas tests de rentrée pour différentes atmosphères. Les différents modèles considérés sont testés afin d'évaluer leur influence. Les modèles de chimie dépendent de nouveaux paramètres d'entrée, dont les valeurs numériques sont incertaines. Une étude de quantification de leur incertitude est menée et a permis de vérifier que les grandeurs de sorties de la simulation avec un écoulement réactif, notamment le flux thermique, n'est que peu impacté par ces paramètres incertains. / Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) methods are used in Ariane group to compute aerodynamic forces and moments and heat fluxes on space objects for hypersonic flows in rarefied regimes.To caracterise the dislocation of the stages and the debris footprints, a precise modelisation of the mechanism that contribute to the heat flux is necessary. The contribution of the chemical reactions is important for the determination of the heat flux. The purpose of this thesis is to develop the in house IEMC tool using the DSMC method so that it can compute reactive flows.The different steps of the developments are presented in this work. The first step is the presentation, implementation and verification of two different chemistry models. They are validated for simulations on real test cases. Different models are tested in order to evaluate their effect. Chemical models implemented in the code depend on new input parameters, whose numerical data are uncertain. Using a uncertainty quantification study, it is shown that the output data of the reactive simulation, especially the heat flux, is weakly impacted by the tested uncertain parameters.

La thèse est divisée en deux parties, correspondantes aux deux sujets principaux de mon travail de thèse.Dans la première partie, on introduit les systèmes avec interactions à longue portée, dont les plasmas et les systèmes auto-gravitants. On résume les caractéristiques bien connues des systèmes isolés, en se focalisant sur la relaxation à l'équilibre. Ensuite, on considère les systèmes avec interactions à longue portée forcées hors d'équilibre et on généralise la théorie cinétique des systèmes isolés à des systèmes hors d'équilibre. Notre travail présentera les généralisations pour décrire les écoulements géophysiques et la turbulence bidimensionelle.La deuxième partie de la thèse traite des propriétés d'équilibre des systèmes Hamiltoniens utilisant les techniques des paysages énergétiques. On résume plusieurs résultats récents et on les applique à des systèmes avec interactions à longue et à courte portée. L'objectif principal de ce travail est l'étude de modèles avec un paysage énergétique beaucoup plus compliqué que ceux étudiés dans la littérature. Dans le cas de modéles O(n) ferromagnétiques, notre analyse a dévoilé une ressemblance surprenante entre l'énergie critique du modèle d'Ising et celle des autres modèles O(n). Une généralisation du formalisme de Stillinger et Weber est discutée. / The thesis is divided in two parts, corresponding to the two main subjects on which I have worked during my PhD. In the first Part, we introduce many-body long-range interacting systems, such as plasma and self-gravitating systems. We first review the well known properties of isolated systems, which show peculiar behaviors both for what concern the equilibrium and the relaxation to equilibrium. We then consider long-range systems driven away from equilibrium and we show how the techniques developed for isolated systems can be extended to describe these situations. Generalizations to describe simplified models relevant for geophysical flows and two-dimensional turbulence are also discussed. Our work stands at the edge between the study of long-range interacting systems and the study of non-equilibrium systems.The second part of the thesis is devoted to the study of equilibrium properties of Hamiltonian systems with energy landscape techniques. A number of recent results is reviewed and applied to long and short-range interacting systems. One of the scope of my work was to study models whose energy landscape is much more complicated than what previously done. In the case of ferromagnetic short-range O(n) models on hypercubic lattices, our analysis unveiled a striking similarity between the critical energies of the Ising model and the O(n) models defined on the same lattice with the same interaction matrix. Generalizations of the Stillinger and Weber formalism are discussed as preliminary results and future perspectives.

Cette thèse est dédiée à l'étude mathématique et numérique d'une classe d'équations cinétiques collisionnelles, de type équation de Boltzmann. Nous avons porté un intérêt tout particulier à l'équation des milieux (ou gaz) granulaires, initialement introduite dans la littérature physique pour décrire le comportement hors équilibre de matériaux composés d'un grand nombre de grains, ou particules, non nécessairement microscopiques, et interagissant par des collisions dissipant l'énergie cinétique. Ces modèles se sont révélés avoir une structure mathématique très riche. Cette thèse se structure en trois partie pouvant être lues de manière indépendante, mais néanmoins en rapport avec des équations cinétiques collisionnelles en général, et l'équation des milieux granulaires en particulier. La première partie est dédiée à l'étude mathématique du comportement asymptotique de certaines équations cinétiques collisionnelles dans un cadre homogène en espace. Nous y montrons des résultats de type explosion et convergence vers la solution autosimilaire avec calcul explicite des taux, pour des opérateurs de type Boltzmann, grâce à l'utilisation (entre autre) d'une nouvelle méthode de changement de variables dépendant directement de la solution de l'équation considérée. En particulier, nous démontrons que pour un modèle de gaz granulaire - dit anormal - il est possible d'observer une explosion en temps fini. Dans la deuxième partie, orientée analyse numérique et calcul scientifique, nous nous intéressons développement et à l'étude de méthodes spectrales pour la résolution de problèmes multi-échelles, issus de la théorie des équations cinétiques collisionnelles. Les méthodes de changement de variables tiennent aussi une place importante dans cette partie, et permettent d'observer numériquement des phénomènes non triviaux qui apparaissent lors de l'étude de gaz granulaires, comme la création d'amas de matière ou la caractérisation précise du retour vers l'équilibre. La troisième et dernière partie est dédiée à l'étude spectrale de l'opérateur des milieux granulaires avec bain thermique, linéarisé au voisinage d'un équilibre homogène en espace, afin d'établir des résultats de type stabilité et convergence vers une limite hydrodynamique. Ce travail est en fait la généralisation d'un résultat célèbre dans la théorie de l'équation de Boltzmann, dû à R. Ellis et M. Pinsky, et établissant rigoureusement la première limite hydrodynamique vers les équations d'Euler compressibles linéaires puis Navier-Stokes de cette équation / This dissertation is dedicated to the mathematical and numerical study of a class of collisional kinetic equations, such as the Boltzmann equation of perfect gases. We took a particular interest in the granular media (or gases) equation, which has been first introduced in the physical literature to describe the nonnequilibrium behavior of materials composed of a large number of grains (the particles) of macroscopic size, interacting through energy dissipative collisions. These models have a very rich mathematical structure. This dissertation is divided in three independent part, all related to the theory of collisional kinetic equation, with a strong emphasis on granular media. The first part concerns the mathematical study of the asymptotic behavior of space homogeneous Boltzmann-like kinetic equations. We prove some blow up results, as well as convergence towards self-similarity, with explicit rates for two different models. One of the key tools of our proofs is the use of a new scaling method, where the scaling function depends on the solution itself. We especially prove that for a particular model of granular gases (also know as anomalous), finite time blow up occurs. The second part is dedicated to the development and study of spectral methods for the resolution of multi-scale problems, coming from the theory of collisional kinetic equations. Some rescaling methods take a very important place in this part, allowing to observe numerically some nontrivial phenomena such as the clustering in space which occurs in the time evolution of a space inhomogeneous granular gas, or to investigate numerically the trend to equilibrium for this equation. The whole third (and last) part is dedicated to the spectral study of the granular gases operator with a thermal bath, linearized near a space homogeneous self-similar profile. The goal of this work is to prove some stability results for the complete space inhomogeneous equation, and to investigate the hydrodynamic limit of the model. This work is based and extend the famous result of R. Ellis and M. Pinsky on the spectrum of the linearized Boltzmann equation, intended to establish rigorously the hydrodynamic limit of this equation towards the linearized Euler and Navier-Stokes equations

Cette thèse aborde le problème de l'interaction gaz/paroi et des conditions aux limites en écoulement de gaz raréfié. Les écoulements dans les microsystèmes et les écoulements autour des engins spatiaux en rentrée atmosphérique ont démontré l'insuffisance des concepts utilisés dans la formulation des conditions aux limites hydrodynamiques existantes. Dans ce travail, nous avons élaboré, dans un premier temps, des modèles<br />de conditions aux limites cinétiques, en développant de manière originale la théorie de " scattering kernel " bien connue dans le domaine de la recherche de conditions aux limites pour l'équation de Boltzmann. Ces modèles sont développés d'une part pour un gaz monoatomique et d'autre part pour un gaz de molécules complexes. Les démonstrations font appel à des formulations intégrales et à une description basée sur la théorie des opérateurs. Elles introduisent la notion de coefficient d'accommodation<br />propre à chaque degré de liberté. Dans un deuxième temps nous avons utilisé ces conditions aux limites<br />cinétiques pour établir des conditions aux limites hydrodynamiques : saut de température<br />- glissement de vitesse. Nous abordons également le problème de la couche limite cinétique (couche de Knudsen) et de la prédiction du flux de chaleur à la paroi. Finalement ces conditions aux limites sont utilisées pour les calculs de coefficients aérodynamiques et de quelques types d'écoulements particuliers. Les résultats sont comparés à ceux donnés par d'autres modèles, ainsi qu'aux résultats expérimentaux.

Bien qu'intervenant dans de nombreuses situations industrielles et géophysiques, les écoulements granulaires sont aujourd'hui encore mal compris. Dans cette thèse, nous étudions deux instabilités qui apparaissent lorsque l'on fait couler un milieu granulaire par gravité sur un plan incliné rugueux. Nous avons tout d'abord étudié une nouvelle instabilité observée dans le régime d'écoulement rapide et dilué, lorsque le plan est fortement incliné. Cette instabilité se manifeste par l'apparition spontanée de vortex longitudinaux au sein de l'écoulement. A partir de mesures expérimentales, nous proposons un mécanisme d'instabilité qui fait appel au concept de "température granulaire". Ce mécanisme est ensuite validé par une analyse de stabilité dans le cadre de la théorie cinétique des milieux granulaires. La deuxième instabilité que nous avons étudiée apparaît dans le régime d'écoulement dense. Dans certains cas, on observe la formation de vagues de grande longueur d'onde qui se propagent dans la direction de l'écoulement. Nous avons étudié expérimentalement la formation de ces ondes de surface en forçant l'instabilité, dans l'esprit des expériences sur les systèmes ouverts en mécanique des fluides. Les résultats sont ensuite confrontés à une approche moyennée dans l'épaisseur. Cette étude montre que les propriétés de l'instabilité "classique" en ondes de surface peuvent être profondément modifiées par la rhéologie des écoulements granulaires denses.

Le travail présenté dans ce mémoire s'inscrit dans la problématique générale de la formation du spectre optique dans les lasers Raman à fibre. Nous avons mené une étude expérimentale sur un laser Raman à fibre oscillant dans une cavité Pérot-Fabry fermée par des miroirs de Bragg. Cette étude montre que la forme du spectre optique diffère selon la puissance du laser. En développant différents modèles, nous avons montré que les miroirs de Bragg sont à l'origine de ce changement de forme du spectre optique. En particulier, à faible puissance, la forme asymétrique du spectre provient d'effets dispersifs lors de la réflexion sur les miroirs de Bragg. A forte puissance, ces effets dispersifs sont dominés par les effets de filtrage des miroirs, ce qui conduit à la symétrisation du spectre du laser observée dans notre expérience. Par ailleurs, nous avons également étudié numériquement la statistique du champ Stokes intracavité. Nous avons montré que celle-ci change fortement selon que l'onde Stokes est incidente ou réfléchie par les miroirs de Bragg. Ce résultat nous a permis de questionner la validité d'un modèle récemment publié sur la formation du spectre optique du laser Raman à fibre. Ce modèle s'appuie sur les outils de la théorie cinétique des ondes, valable uniquement dans le cas de champs possédant une statistique gaussienne. Toutefois, notre étude numérique indique que cette condition n'est pas respectée dans le laser Raman à fibre, et la forme du spectre optique observé dans notre étude expérimentale s'oppose fortement à celle prédite par cette approche statistique de la formation du spectre optique du laser Raman à fibre.

Après une introduction au domaine des fibres optiques, nous avons mis à profit l'effet d'instabilité modulationnelle couplé à l'effet d'auto-décalage Raman pour créer un peigne de fréquences de largeur supérieure à 100 nm, dont la longueur d'onde centrale est accordable vers les hautes longueurs d'onde. Ensuite, la réalisation d'une cavité laser en anneau, mettant en oeuvre l'effet Raman et la rotation non linéaire de polarisation nous a permis de générer un régime impulsionnel à la longueur d'onde de la première Stokes. Les résultats expérimentaux montrent la richesse des comportements dynamiques non-linéaires qui se rapportent à ce laser. Une seconde partie de ce manuscrit porte sur l'étude de la génération de supercontinuum dans les fibres optiques à cristaux photoniques. Nous avons montré que sous certaines conditions, l'élargissement spectral inhérent à la génération de supercontinuum peut être interprété, grâce à la théorie cinétique de la turbulence faible, comme un processus de thermalisation, i.e. résultant du processus irréversible d'évolution naturelle du champ optique vers son état d'équilibre thermodynamique. Cette interprétation originale du phénomène supercontinuum a été confirmée expérimentalement.