Les observations de la structure à grande échelle de l'Univers sont précieuses pour établir et tester des théories cosmologiques sur son origine et son évolution. Cette démarche requiert des outils appropriés d'assimilation des données, afin d'établir le contact entre les catalogues de galaxies et les modèles de formation des structures.Dans cette thèse, une nouvelle approche pour l'analyse ab initio et simultanée de la formation et de la morphologie de la toile cosmique est présentée : l'algorithme BORG infère les fluctuations de densité primordiales et produit des reconstructions physiques de la distribution de matière noire, en assimilant les relevés de galaxies dans un modèle cosmologique de formation des structures. La méthode, basée sur la théorie bayésienne des probabilités, fournit un moyen de quantifier précisément les incertitudes.On présente l'application de BORG aux données du Sloan Digital Sky Survey et on décrit la structure de l'Univers dans le volume considéré. On démontre que cette approche a mené à la première inférence quantitative des conditions initiales et du scénario de formation des structures observées. On utilise ces résultats pour plusieurs projets cosmographiques visant à analyser et classifier la toile cosmique. En particulier, on construit un catalogue de vides, décrits au niveau de la matière noire et non des galaxies. On présente des cartes probabilistes détaillées de la dynamique de la toile cosmique et on propose une solution générale pour la classification des structures en présence d'incertitude.Les résultats de cette thèse constituent une précise description chrono-cosmographique des inhomogénéités de la structure cosmique. / Surveys of the cosmic large-scale structure carry opportunities for building and testing cosmological theories about the origin and evolution of the Universe. This endeavor requires appropriate data assimilation tools, for establishing the contact between survey catalogs and models of structure formation.In this thesis, we present an innovative statistical approach for the ab initio simultaneous analysis of the formation history and morphology of the cosmic web: the BORG algorithm infers the primordial density fluctuations and produces physical reconstructions of the dark matter distribution that underlies observed galaxies, by assimilating the survey data into a cosmological structure formation model. The method, based on Bayesian probability theory, provides accurate means of uncertainty quantification.We demonstrate the application of BORG to the Sloan Digital Sky Survey data and describe the primordial and late-time large-scale structure in the observed volume. We show how the approach has led to the first quantitative inference of the cosmological initial conditions and of the formation history of the observed structures. We then use these results for several cosmographic projects aiming at analyzing and classifying the large-scale structure. In particular, we build an enhanced catalog of cosmic voids probed at the level of the dark matter distribution, deeper than with the galaxies. We present detailed probabilistic maps of the dynamic cosmic web, and offer a general solution to the problem of classifying structures in the presence of uncertainty.The results described in this thesis constitute accurate chrono-cosmography of the inhomogeneous cosmic structure.

Les interactions entre les galaxies et leur environnement à grande échelle constituent une pierre angulaire de la théorie de formation des structures. Cependant, derrière cette idée se cache une longue liste de processus. En effet, les galaxies grandissent au sein d'intenses courants de gaz à haut redshift et acquièrent du moment angulaire grâce aux couples de marée exercés par les grandes échelles, tout en fusionnant avec d'autres galaxies. Aucun de ces mécanismes n'est indépendant de la distribution de matière à grande échelle, fortement anisotrope, constituée d'un réseau de vides délimités par des murs, eux-mêmes segmentés par des filaments de haute densité dans lesquels la matière s'écoule en direction des noeuds compacts. La géométrie d'une telle structure influe fortement sur les écoulements cosmiques, notamment les flux de gaz et de galaxies en migration vers les noeuds. Cela modifie en conséquence la distribution et les propriétés des galaxies. Cette thèse explore certaines de ces corrélations entre les échelles galactiques et extra-galactiques dans la simulation cosmologique hydrodynamique HorizonAGN. Tout d'abord, j'analyse et quantifie l'orientation du moment angulaire des galaxies puis montre que les fusions majeures comme mineures peuvent provoquer d'importantes bascules de ce dernier. J'étudie par la suite la distribution des galaxies satellites autour de leur hôte plus massive et mets à jour des corrélations avec la direction du filament voisin ainsi qu'avec le plan de leur galaxie centrale. Enfin, j'étudie l'impact des fusions galactiques et de l'accrétion diffuse sur la taille et sur la forme des galaxies lors du pic cosmique de formation stellaire. / Interactions between galaxies and their larger scale environment is a central tenet of structure formation theory. However, this idea encompasses a long list of processes. Indeed, galaxies grow from intense gas inflows at high-redshift and acquire spin through tidal torques on larger scales while merging with one another at the same time. None of these processes is independent from the large scale distribution of matter, strikingly anisotropic and consisting of an extended network of voids delimited by sheets, themselves segmented by high-density filaments within which matter flows towards compact nodes where they intersect. Such a structure imprints its geometry on cosmic flows, especially gas inflows and drifting galaxies, ultimately shaping the distribution of galactic properties.This work investigates some of these correlations between galactic and extra-galactic scales in the hydrodynamical cosmological simulation Horizon-AGN. First, I analyze and quantify the spin orientations of galaxies and show that both minor and major mergers can drive important spin swings. I further investigate the distribution of satellite galaxies around a more massive host and find it to be also fairly correlated to the direction of the surrounding filament. However, this trend is in competition with a tendency for satellites to align their orbits in the central galactic plane especially in the inner parts of the halo.Finally, I study the impact of mergers and diffuse accretion on the size and shape of galaxies at the peak of cosmic star formation history. The main results statistically support the gas-poor minor merger scenario to interpret the loss of compacity of spheroids at low-z.

Les relevés à venir comme Euclid, LSST et WFIRST vont nous ouvrir la perspective d’étudier l’univers profond. Pour ces grands relevés, l’astigmatisme cosmique correspond à une sonde indispensable pour étudier la nature de l’énergie noire et la matière noire. Compte tenu de la précision attendue par ces observations, nous devons faire des prédictions basées sur des simulations correspondant à l’état de l’art afin de quantifier avec précision la variance, les biais et les dégénérescences potentielles liés aux baryons. Dans ce contexte, ma thèse se focalise sur la construction d’estimateurs précis basés sur les observables de lentillage. La première partie de ma thèse consiste à caractériser la géométrie des grandes structures par astigmatisme cosmique (Gouin et al. 2017). Une décomposition multipolaire du signal est appliquée afin de quantifier la distribution azimutale de la matière noire, centrée sur les amas. Les propriétés statistiques de ces moments sont estimées à partir d’une simulation cosmologique. Les distorsions harmoniques calculées dans le voisinage des amas tracent la structure filamentaire. Un plus grand nombre de filaments semblent connectés aux amas de forte masse. Dans la dernière partie de ma thèse, je synthétise le signal d’astigmatisme cosmique dans le cône de lumière de la simulation Horizon AGN. Pour ce faire, je propage les rayons de lumière le long du cône dans l’approximation des plans de lentillage multiples. L’effet des baryons est significatif dans la statistique du cisaillement aux échelles angulaires inférieures à l’arc-minute. Le signal de cisaillement galaxie-galaxie est comparée aux observations récentes, et semble être en bon accord. / Upcoming weak lensing surveys such as Euclid, LSST and WFIRST will provide an unprecedented opportunity to investigate the dark Universe. Through these large scale surveys, gravitational lensing is an indispensable cosmological probe to investigate the dark energy and the dark matter. Due to the new level of accuracy in observations, we must perform cosmological predictions in state-of-art simulations, to precisely quantify its variances, biases and potential degeneracies coming from baryonic physics. In this context, my thesis focuses on the construction of accurate weak lensing observables. The first part of my PhD work characterises the geometry of large-scale structure through weak lensing (Gouin et al. 2017). I relied on multipolar decomposition of weak lensing signal to quantify the azimuthal distribution of dark matter centred on galaxy clusters. The statistical properties of these moments are estimated from a large N-body simulation. The harmonic distortions computed in the vicinity of clusters appear to trace the filamentary structure. Larger number of filaments seem to be connected to high-mass clusters.The detection level of this statistical estimator is estimated. In the last part of my thesis, I mock the weak gravitational lensing signal in the light-cone of the Horizon-AGN simulation (Gouin et al. 2019). To do so, I propagate light-rays along the light-cone in the multiple-lens-plane approximation. The impact of baryons is significant in cosmic shear statistics for angular scales below a few arcmins. In addition, the galaxy-galaxy lensing signal is compared to current observational measurements (Leauthaud et al. 2017), and seems in good agreement.