La mission Herschel est un des projets phare du programme scientifique de l'agence spatiale européenne (ESA). Son objectif est d'explorer le ciel dans l'une des régions du spectre électromagnétique les moins connues à ce jour : l'infrarouge lointain. Sa résolution, sa sensibilité mais aussi son domaine spectral font de Herschel un observatoire unique et parfaitement adapté à l'étude des mécanismes de formation d'étoiles et d'évolution des galaxies. Parmi les autres thµemes scientifiques qui bénéficieront des observations Herschel se trouvent les noyaux actifs de galaxie, les disques circumstellaires ou encore les comµetes de notre systµeme solaire.<br />De nombreux instituts de recherche ont participé à l'élaboration de ce projet ambitieux, notamment le CEA qui a développé un nouveau type de détecteur bolométrique pour le photomµetre de l'instrument Herschel/PACS.<br />Ce manuscrit rend compte du travail de recherche que j'ai effectué au Service d'Astrophysique du CEA dans le cadre de ma thµese de doctorat. Ma tâche a consisté d'une part à développer une procédure de caractérisation adaptée aux nouvelles matrices de bolomµetres du CEA, et d'autre part à réaliser l'étalonnage du photomµetre PACS et à optimiser ses performances dans les différents modes d'observation ouverts à la communauté astronomique.<br />Dans ce manuscrit, je présenterai les grandes lignes de l'astronomie infrarouge de la découverte du rayonnement infrarouge par William Herschel à la réalisation de l'Observatoire Spatial Herschel. Je décrirai également les développements d'hier et d'aujourd'hui dans le domaine de la bolométrie refroidie afin de mettre en perspective les innovations apportées par le CEA, à savoir la fabrication collective de bolomµetres, la thermométrie haute impédance, le multiplexage à froid et l'absorption du rayonnement par cavité résonante. J'exposerai ensuite le principe de fonctionnement des matrices de bolomµetres, étape nécessaire pour comprendre la problématique de la procédure de caractérisation que nous avons mise au point. Puis je présenterai et analyserai en détail les résultats obtenus lors de la campagne d'étalonnage du Photomµetre PACS qui s'est achevée en Juin 2007. Enfin, je traduirai les mesures réalisées en laboratoire en terme de performances "observationnelles" du Photomµetre PACS.

La question de l'inné ou de l'acquis des propriétés dynamiques des disques de galaxies reste encore largement ouverte. Si l'environnement joue une part importante dans l'établissement de ces caractéristiques (spirales, gauchissement, disques épais), son influence est modulée par la propension intrinsèque que possède un objet à réagir ou non à ces perturbations. Cette problématique ne peut être abordée quantitativement qu'en termes de populations d'objets, afin de s'affranchir des spécificités liées à un cas de figure donné. D'autre part, les grands relevés permettent déjà une étude statistique des propriétés morphologiques des galaxies. La compréhension théorique des propriétés de ces populations d'objets doit atteindre le même degré de précision et de représentativité que les observations. À cette fin, cette thèse propose d'aborder de façon statistique la dynamique des systèmes galactiques, en reliant les distributions des propriétés de ces objets aux caractéristiques statistiques des interactions qu'elles subissent. Les travaux exposés se concentrent sur la composante ”halo de matière noire” des systèmes galactiques, qui agit comme un transmetteur entre environnement cosmologique et galaxies.<br />Cet objectif nécessite à la fois une description correcte des processus dynamiques internes et une bonne connaissance des propriétés des environnements dans lesquels baignent les halos. Afin de répondre à cette double exigence, le cadre propose ici repose sur une approche hybride où les processus internes sont abordés via les outils analytiques de la dynamique galactique, tandis que les caractéristiques des interactions sont extraites de simulations à grande échelle. Les échanges (accrétion et champ de marée) entre les halos et le milieu extérieur sont décrits en termes de flux de matière au travers de la sphère de viriel et de potentiel projetés. La description des interactions se ramène à la caractérisation statistique d'une condition limite. Cette vision “halocentrique” permet en outre de conserver l'information angulaire et cinématique nécessaire au calcul de la réponse dynamique des halos.<br />La dynamique est abordée dans le régime des faibles interactions via une description perturbative non linéaire de la réponse d'un système non collisionnel ouvert. Compte tenus des temps dynamiques courts opérant au sein des halos, l'influence des faibles perturbations se manifeste via des processus résonnants, correctement décrits par un formalisme en angle-actions. Cette théorie doit permettre de décrire des phénomènes tels que la friction dynamique ou l'effeuillage par effet de marée. A partir d'une extension de la “méthode matricielle” décrivant la dynamique dans l'espace des angles-actions, il est démontré comment cette technique analytique exprime directement les caractéristiques statistiques de la réponse des halos en fonction des propriétés de leur environnement. Cette “propagation statistique” ne fait pas appel aux réalisations individuelles de systèmes en interaction, mais nécessite une connaissance complète des propriétés de l'accrétion et du champ de marée, ainsi que leurs interdépendances statistiques. L'évolution séculaire du halo dans le régime des interactions récurrentes est également décrite dans un formalisme quasi-linéaire. L'évolution de la fonction de distribution du halo y est décrite comme une diffusion au long cours des orbites du système, induite par la présence de perturbations externes.<br />Les propriétés de l'accrétion et du champ de marée sont extraites d'un ensemble de simulations cosmologiques permettant de réduire les effets de variance cosmique. Cette mesure permet une description quantitative des interactions et représentative de la diversité des cas de figure. Ces études sur simulations sont limitées au régime de faibles interactions pour des redshifts inférieurs à 1. La distribution du flux de masse au rayon de viriel a permis de contraindre quantitativement le degré d'anisotropie de l'accrétion de matière par les halos. Cette mesure en termes de flux est complétée par une étude détaillée de la distribution des satellites qui confirme un excès d'accrétion équatoriale de l'ordre de 15 pour cents et qui est interprétée en termes de flux filamentaire. Les propriétés de l'accrétion et du potentiel sont abordées de façon plus exhaustive via une description adaptée à la propagation statistique. Les propriétés cinématiques de la matière passant au travers du rayon de viriel mettent en évidence le caractère distinct de la matière nouvellement accrétée de celle ayant déjà interagit avec le halo. Cette différence se manifeste dans la trajectoire des flux de masse impliqués ou dans leurs vitesses caractéristiques. Les mesures de corrélations angulo-temporelles du potentiel au rayon de viriel indiquent un champ de marée stationnaire et hautement quadripolaire, traitant la distribution de matière dans les régions périphériques du halo. Les mêmes corrélations sont mesurées pour le flux de masse, montrant en particulier l'invariance au cours du temps du spectre de puissance de la matière noire au rayon de viriel. Une courte étude sur la distribution des métaux liés aux sous-structures illustre comment les études observationnelles peuvent fournir des contraintes statistiques sur la distribution de matière au sein des halos.<br />De façon générale, l'établissement d'un lien entre propriétés statistiques de l'environnement et distribution des réponses dynamiques des halos permet d'envisager un large champ d'applications. D'une part, la connaissance des flux doit permettre de prédire les propriétés statistiques de la répartition de la matière noire au sein des halos. À l'inverse, les traceurs observationnels de la distribution de matière (émission X, effet SZ, lentilles gravitationnelles, systèmes absorbants) fournissent des contraintes sur les propriétés réelles des flux, ainsi que sur les modèles sous-jacents de halos (profil de masse par exemple) et sur les biais associés aux traceurs utilisés (rapports M/L par exemple). Enfin, une validation à terme de la propagation statistique permet d'entrevoir la mise en place de l'inversion dynamique qui permet de remonter à l'histoire d'interaction d'un halo à partir de son état actuel.

Le Stromboli est caractérisé par une activité persistente. Le risque associé avec l'activité volcanique au Stromboli comprend des émissions gazeuses et surtout les éruptions majeures qui peuvent provoquer aussi quelquefois des tsunamis. Le Stromboli est activement surveillé par les groupes de recherche et les institutions italiennes. Mes résultats présentent un modèle expérimental de l'ascension du magma à travers le volcan. La connaissance des propriétés physico - chimiques du magma peut permettre une interprétation à long terme du signal géophysique et peut aider sur la connaissance du comportement actuel du volcan.<br /><br />L'activité normale du Stromboli est interrompue par des émissions de coulées de lave ou par des explosions plus énergiques. Les explosions plus violentes sont partagées entre explosions majeures (1-2 par années) et paroxysmiques (un évènement tous les 5-15 ans).<br /><br />La plupart des travaux et des modèles dynamiques réalisés sur l'activité de Stromboli se sont focalisés sur l' activité normale du volcan, mais l'étude des phases paroxysmiques (l'activité la moins fréquente) peut donner informations des importants sur l'activité persistente.<br /><br />Ces phases paroxysmiques permettent d'approcher les processus de mélange, de cristallisation et de dégazage le système volcanique. Pendant les explosions majeures et les paroxysmes, est émis un produit particulier constitué par une ponce jaune mélangée à une scorie noire. La ponce jaune est pauvre en cristaux (< 10 % vol), très vésiculée et représente le magma le plus primitif jamais émis a Stromboli; la scorie noire est, au contraire, riche en cristaux (~50 vol %), plutôt dense, très peu vésiculée et représente le produit de l'activité normale du Stromboli. Les deux parties sont très différentes texturalement, mais elles ont une composition de roche totale très similaire (entre HKCA et SHO). Elles montrent seulement des petites variations dans les teneurs de éléments majeurs et en traces. Les différences plus accentuées concernent les teneurs en volatils (H2O-CO2-S). L'objectif de ma recherche était de : (i) caractériser la région source du magmatisme (ii) donner des informations sur les conditions P-T-aH2O pendant la montée de la ponce jaune, (iii) suivre le parcours qui transforme en scorie noire la ponce jaune à travers sa montée rapide dans le niveau plus superficiel du Stromboli.<br /><br />Les volatils jouent le rôle principal dans les relations de phases soit dans les propriétés chimiques soit dans les propriétés physiques du magma. Deux séries d'expériences ont été réalisées, à partir d'une ponce jaune éruptée dans un période postérieure à 1600 AD et antérieure à 800 AD: une section isobarique – 4 kb - entre 1175°C et 1150°C et une section isotherme – 1100°C – entre 400MPa et 50 MPa à teneur en eau variable (de la sou-saturation à la saturation) ont été réalisées. Quelques expériences ont étés réalisées pour vérifier la nature primitive de notre composition et quelques expériences ont été réalisées en présence de volatils mixtes (H2O +/- CO2 +/- S).<br /><br />Les résultats montrent que la ponce jaune, utilisée comme matériel de départ est un magma primaire, en équilibre avec la clinopyroxènite-source à P-T de genèse. La première phase à cristalliser est le clinopyroxène, suivi de l'olivine. Le pyroxène joue un rôle très important à pression élevée (4kb). Le plagioclase, au contraire, est la phase prépondérante à basse pression. Il a été possible d'établir un géo-baromètre expérimental à partir du rapport ol/cpx. En appliquant cette corrélation expérimentale entre pression et rapport ol/cpx aux magmas naturels, on peut déduire une pression de cristallisation de 3.7-2.9 kb pour la ponce et 1.2-0.6 kb pour la scorie. Les données expérimentales montrent en outre une claire corrélation entre le teneur en Ca dans le pyroxène et le teneur en eau du verre: on peut donc utiliser cette corrélation comme un géo-hygromètre dans un assemblage à trois phases, pour en déduire le teneur en eau de échantillons naturels. Le dernier résultat important concernes les données empiriques de solubilité de H2O-CO2 qui sont en désaccord avec les modèles thermodynamiques normalement utilisés qui surestiment la pression de saturation de presque 50%.

La thèse présentée ici concerne la recherche et l'étude de jeunes vestiges de supernova à partir des observations menées avec l'instrument IBIS/ISGRI à bord du satellite européen gamma INTEGRAL. Ce travail de recherche porte sur deux thèmes principaux que sont<br />la nucléosynthèse et l'accélération de particules. Le premier thème est abordé par l'étude des raies émises lors de la décroissance radioactive du 44Ti, élément à courte durée de vie (Tau ~ 86 ans) exclusivement produit aux premiers instants du phénomène de supernova, et le deuxième par l'étude de l'émission continue non-thermique sous-jacente, preuve<br />observationnelle de l'accélération de particules au sein des vestiges de supernova. <br /><br />Le manuscrit est divisé en quatre parties. La première partie porte sur une présentation générale des<br />supernovae des points de vue observationnel et théorique. La deuxième partie décrit le satellite INTEGRAL et les principaux instruments à bord, les méthodes d'imagerie et de détection avec l'instrument IBIS/ISGRI, ainsi que mon investissement personnel sur<br />le développement d'outils spécifiques liés à l'analyse de données : la correction en énergie des évènements, cruciale pour l'étude des raies gamma comme celles issues de la décroissance du 44Ti, la recherche des pixels bruyants, importante pour l'étude de l'émission non-thermique à basse énergie autour de 20 keV,<br />la création de cartes de fond mesuré sur IBIS/ISGRI, et la mise en place d'une chaine de traitement alternative. Je présente également une méthode pour estimer le flux et la significativité d'une source étendue observée par un instrument à masque codé comme IBIS/ISGRI, ainsi qu'une première application de cette méthode sur l'amas de Coma. Les résultats obtenus sur les vestiges des<br />supernovae historiques tels que Cassiopeia A, Tycho, et Vela Junior sont exposés dans la troisième partie. Le premier chapitre de la dernière partie pose la problématique des jeunes vestiges de supernova manquants et présente une étude de la détectabilité des<br />supernovae dans le domaine visible, à partir d'un modèle d'extinction interstellaire galactique. Le deuxième chapitre rapporte les résultats de la recherche de jeunes vestiges de supernova dans le plan galactique par l'intermédiaire des raies de décroissance du 44Ti ainsi que par une approche multi-longueur d'onde, du domaine radio (VLA) à la nouvelle fenêtre d'observation au TeV (HESS). Je discusse également les contraintes apportées sur la fréquence des explosions et sur les<br />taux de production de cet élément, vis-à-vis des observations IBIS/ISGRI et de l'abondance solaire du 44Ca.

Depuis le succès de la mission CLUSTER, nous pouvons étudier la structure tridimensionnelle des perturbations basse fréquence se propageant dans les régions clefs de la magnétosphère terrestre (magnétopause, queue magnétique). Afin d'aider l'interprétation de ces<br />données cette thèse propose un cadre théorique auto-cohérent visant à étudier la réponse linéaire<br />d'une couche de plasma non homogène à une perturbation initiale, dans l'approximation de la MHD<br />idéale. En particulier, le calcul est mené jusqu'à la reconstruction finale des signaux<br />spatio-temporels avec une discussion des amplitudes obtenues et des transferts énergétiques qui en<br />découlent. Cette dernière étape est essentielle dans la perspective d'une comparaison avec les<br />données CLUSTER.<br /><br />L'étude des modes propres de la queue magnétosphérique terrestre montre l'existence de deux<br />catégories d'oscillations : des modes globaux oscillant à des fréquences discrètes et confinés au<br />centre de la couche, et des modes continus liés au phénomène d'absorption résonante et dont<br />l'amplitude décroît au cours du temps. En utilisant diverses géométries de pulses initiaux, nous<br />étudions le couplage entre l'excitateur et ces modes propres. Il est mis en évidence que le<br />couplage avec les modes globaux est optimal pour un pulse dont la taille est voisine de l'épaisseur<br />de la couche. Même dans ce cas, les fluctuations restent cependant modestes. En revanche, avec le<br />même pulse initial, l'absorption du signal dans le continuum est efficace et conduit à un transfert<br />d'énergie non négligeable des ondes vers le plasma.<br /><br />Enfin, un exemple d'oscillations magnétiques mesurées par CLUSTER est analysé et confronté<br />avec les résultats du modèle théorique. En effet l'étude théorique permet de préciser la nature des<br />perturbations ainsi que leur origine, dans l'hypothèse où ces fluctuations obéissent à une<br />description MHD.

L'objectif principal de ce travail de thèse est d'analyser les phénomènes<br />de luminescence diurne qui apparaissent dans la thermosphère terrestre, et<br />plus particulièrement les émissions de l'oxygène atomique (raie verte à 557,7 et raie rouge à <br />630,0 nm). Cette étude met en oeuvre une analyse statistique des mesures de l'interféromètre WINDII qui permet de <br />quantifier l'influence du flux solaire et de l'activité magnétique sur le rayonnement.<br />Il apparaît que l'intensité et l'altitude des deux émissions augmentent quasi-linéairement<br />avec le flux solaire.<br />Nous montrons également que lorsque l'activité magnétique augmente, l'intensité du pic <br />thermosphérique de la raie verte diminue, alors que l'intensité de la raie rouge reste<br />quasiment constante.<br />Cette étude a également permis de reproduire qualitiativement et quantitativement<br />ces résultats statistiques en utilisant le modèle d'ionosphère TRANSCAR, ce qui montre que les <br />phénomènes physiques mis en jeu sont bien compris.

Une des frontières actuelles de la cosmologie observationnelle est celle de la réionisation, époque au cours de laquelle la formation des premières étoiles et galaxies a marqué la fin des « Âges Sombres » et la réionisation du milieu intergalactique. La nature et l'époque de formation de ces sources sont encore mal déterminées, et constituent les éléments clé pour un grand nombre de futurs projets instrumentaux (JWST, EMIR/GTC, KMOS/VLT, ...) dont les développements font l'objet d'études de faisabilité poussées.<br /><br />Ce travail de thèse regroupe différents programmes visant à contraindre les propriétés physiques des objets astrophysiques parmi les plus distants connus. Les contraintes sur la détection et l'étude de telles sources à l'aide des instruments actuels ont amené à l'utilisation des amas de galaxies comme lentilles gravitationnelles, pour bénéficier de l'effet d'amplification.<br /><br />Une première partie introduit les différentes notions associées à ce sujet de thèse : le contexte cosmologique, les propriétés de l'Univers distant et les lentilles gravitationnelles. Sont ensuite présentés les trois principaux projets observationnels sur lesquels se fonde ce travail : <br /><br />· Une recherche d'émetteurs Lyman-alpha par de la spectroscopie systématique au sein des régions les plus amplifiées d'un ensemble d'amas de galaxies. L'échantillon de sources obtenu permet de contraindre la fonction de luminosité Lyman-alpha à des luminosités bien plus faibles que d'autres projets du même type.<br />· Une étude détaillée d'une galaxie très distante observée par les télescopes spatiaux HST et Spitzer. Les propriétés photométriques de cette source suggèrent la présence d'une population stellaire relativement évoluée à cette époque. <br />· Un projet de recherche photométrique dans le proche-infrarouge d'objets très distants, effectué à l'aide du VLT. L'accent est porté sur les détails de l'analyse photométrique et les résultat spectroscopiques obtenus pour plusieurs candidats. L'échantillon étudié dans son ensemble permet de donner des contraintes sur la fonction de luminosité dans l'ultraviolet et le taux de formation stellaire à cette époque.<br /><br />L'ensemble de ces résultats apporte des éléments complémentaires pour une description plus générale de l'époque de la réionisation, que l'on peut confronter aux prédictions des modèles théoriques.<br />Enfin, une dernière partie présente les perspectives de ce travail de thèse et les futurs projets instrumentaux attendus dans ce domaine de recherche.

Le Radiohéliographe de Nançay, rénové en 1996, est un instrument dédié à l'étude de l'activité sporadique de la couronne solaire, dans le domaine métrique et décimétrique. Les structures calmes de la couronne peuvent être également observées par l'utilisation de la synthèse d'ouverture, qui autorise la cartographie de structures à faible contraste.<br /><br />Je présente dans cette thèse les premiers résultats de synthèse d'ouverture pour l'instrument rénové, en m'intéressant tout particulièrement à la contrepartie radio des filaments solaires, jamais étudiée auparavant dans cette gamme de longueur d'onde. Je montre que les observations sont explicables par la présence d'une cavité coronale autour des filaments, et que la radio permet son observation directe sur le disque.<br /><br />Je décris enfin trois cas de Disparitions Brusques de filament montrant, pour la première fois en radio, les stades initiaux du développement d'éruptions de filaments et de CMEs sur le disque, sous l'aspect des émissions thermiques. Ce travail s'appuie fortement sur les observations multi longueurs d'onde, rendues possibles par l'existence du satellite SOHO sur toute la période, et notamment son télescope EIT, et son coronographe LASCO.

Cette thèse est consacrée à l'étude des micro-miroirs déformables pour l'optique adaptative. Les miroirs déformables actuels montrant aujourd'hui leurs limites en terme de nombre d'actionneurs et d'espace inter-actionneurs, une nouvelle classe de miroir doit être développée. En plus de satisfaire des spécifications actuelles requerrant entre autres une course de dix microns, une réponse linéaire et une bande passante supérieure au kilohertz, ces miroirs déformables devront aussi être compacts et comporter plusieurs milliers d'actionneurs. L'originalité de notre approche tient en la réalisation, en collaboration avec le Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes, de micro-miroirs déformables basés sur la technologie des MOEMS et en l'élaboration de couches sacrificielles et structurales en matériau Polymère.<br />Des moyens de modélisation et de caractérisation sont mis en œuvre pour comprendre le comportement de tels composants. Un banc de caractérisation interférométrique est développé afin d'étudier des composants dont les dimensions varient de la dizaine de microns à vingt millimètres. Les mesures de la qualité optique et du comportement électro-mécanique sont menées à bien en travaillant avec l'interférométrie à décalage de phase dont la résolution est inférieure au nanomètre. L'analyse dynamique incluant les modes de vibration et les fréquences de coupure, est effectuée avec l'interférométrie moyennée dans le temps.<br />Un prototype de micro-miroir déformable a été fabriqué dans une fonderie externe. Celui-ci comporte 9 actionneurs dont la course mesurée est de 350 nm. Cette valeur est trop faible pour générer les déformations dont nous avons besoin. En revanche, l'utilisation pour la première fois du procédé polymère a permis d'élaborer un actionneur permettant une course de 2 microns pour 30 V, confirmant les choix effectués jusqu'ici. Une électronique a été conçue et réalisée afin de rendre linéaire la réponse électrostatique de ces composants. Des simulations préliminaires montrent un bon accord avec les résultats expérimentaux. La conception de micro-miroirs déformables en polymère apparaît donc comme une voie prometteuse.

Après avoir rappelé quelques définitions et résultats concernant<br />l'atténuation du flux lumineux d'une source éloignée due à la poussière dans notre Galaxie et dans des galaxies proches (phénomène physique appelé « extinction »), nous décrivons brièvement le phénomène de mirage gravitationnel ainsi que les<br />processus physiques pouvant affecter la photométrie observée des images multiples d'un quasar distant.<br /><br />Nous présentons ensuite une méthode originale pour estimer le décalage vers le rouge (le « redshift ») du déflecteur (la « galaxie lentille ») d'un mirage gravitationnel. Cette méthode se base sur les effets causés par l'extinction de la lumière par la poussière interstellaire au sein de la lentille.<br /><br />Après une présentation de la méthode et quelques considérations<br />préalables, des simulations numériques sont effectuées pour tester<br />la méthode et calculer sa précision. La méthode est ensuite appliquée à des données réelles.<br /><br />Par la suite, nous tentons d'extraire la loi d'extinction de la galaxie lentille à partir des spectres des images multiples de la source d'arrière-plan.<br /><br />Enfin, nous utilisons la technique de l'analyse en composantes principales pour classifier une loi d'extinction parmi une collection de lois d'extinction connues. À nouveau, après une rapide présentation de l'analyse en composantes principales et de son application aux lois d'extinction, des simulations numériques sont utilisées pour évaluer la fiabilité de la méthode, laquelle est également appliquée à un cas réel.