De la Poussière Interstellaire, de l'Emission Infrarouge des Galaxies, et des Mesures du rayonnement cosmologique à 3K

L'une des prédictions fortes de la Relativité Générale d'Einstein repose sur la capacité de toute masse à courber l'espace-temps et par là-même à infléchir la course des rayons lumineux. Une conséquence directe est alors l'effet de lentille gravitationnelle: les images de sources situées en arrière-plan d'un objet massif sur la ligne de visée sont déformées, amplifiées voire démultipliées. Les amas de galaxies, structures les plus massives de l'Univers, produisent l'effet le plus intense. Leur histoire, leur processus de formation, et leur état dynamique actuel constituent des éléments clés pour comprendre la formation et l'évolution de l'Univers lui-même. La présente thèse se propose de comprendre et de contraindre la distribution de masse d'un échantillon d'amas de galaxies telle que l'on peut la mesurer grâce à l'effet de lentille gravitationnelle faible, par le biais d'une étude statistique des objets faiblement déformés permettant de mesurer l'intensité de la distorsion.

L'optique gravitationnelle est desormais devenue un outil populaire pour mesurer les distributions de masse des structures sur des echelles tres differentes. Le cisaillement cosmique permet d'etudier les structures a tres grande echelle, et la combinaison des cisaillements forts et faibles permet de contraindre la distribution de masse des amas de galaxies. Dans cette these, je vais m'interesser a l'etude des halos de matiere noire en utilisant la technique du "galaxy-galaxy lensing". Une telle technique permet l'etude de la distribution de masse des galaxies de champ aussi bien que des galaxies d'amas en utilisant des donnees de bonne qualite, a partir de telescopes terrestres ou depuis l'espace. L'idee est la suivante : l'observation des formes de galaxies distantes qui ont ete deformees gravitationnelement par des galaxies d'avant-plan nous permet de contraindre la distribution de masse des galaxies d'avant-plan. Etant donne que la distortion d'une galaxie lentille sur une galaxie distante est tres petite devant la largeur de la distribution en ellipticite des galaxies, la seule facon de mesurer cet effet est de considerer le probleme statistiquement. Par consequent, le galaxy-galaxy lensing permet de contraindre les proprietes d'une population de haloo de matiere noire, et la significance des contraintes dependra du nombre de paires avant-plan/arriere-plan. Un avantage de cette approche statistique est qu'elle permet de sonder le potentiel gravitationnel des halos de galaxies jusqu'a un rayon tres grand ou les methodes plus traditionnelles ne sont pas applicables car il est peu probable de rencontrer des traceurs dynamiques et hydrodynamiques a ce rayon. Je presente une etude theorique du phenomene, en appliquant une methode de maximum de vraisemblance sur des donnees simulees, et en introduisant des profils de masse decrivant les halos de galaxies. Le but de ce travail est d'etudier differentes configurations observationnelles et de montrer quelles sont les contraintes que l'on peut esperer obtenir sur les proprietes des halos de galaxies. J'applique ensuite la methode proposee afin d'etudier les proprietes des galaxies residants dans des amas lentilles massifs. Avec le developpement des surveys grand champs, la technique du galaxy-galaxy lensing sera tres utile pour caracteriser la distribution de masse des galaxies en fonction du redshift, de l'environnement et de la morphologie.

On etudie d'abord la formation des galaxies dans le cadre du modele standard en utilisant des simulations numeriques contraintes puis on invalide un schema concurrent ou l'assemblage des galaxies brillantes est a priori plus precoce. Deux grandes simulations de cosmologies CDM (LCDM et tCDM) avec des fluctuations de densite initiale gaussiennes sont analysees. Elles reproduisent l'Univers Local jusqu'a cz=8000 km/s. Les populations de galaxies sont normalisees avec la relation de Tully-Fisher et la fonction de luminosite locale en bande B. La position et la masse des principaux amas proches coincident et leurs plus brillantes galaxies montrent un accord raisonnable avec les populations reeles. On compare alors aux catalogues PSCz et UZC: la structure a grande echelle observee localement se retrouve, prouvant le succes de l'ensemble des techniques numeriques utilisees, de la contrainte du champ de densite initial au modele semi-analytique de formation des galaxies. De plus, jusqu'a leur limite de resolution, les simulations montrent de grands volumes vides de halos de DM et de tout type de galaxies, en accord avec les observations. La fonction de luminosite simulee a z=3 est plus faible que les donnees, mais les modeles sont suffisants pour donner un apercu des proprietes et de la repartition spatiale des Galaxies Lyman Break, des hotes de QSO, et de leurs descendants a z=0. Enfin, on considere le modele isocourbure avec matiere noire froide (ICDM) propose par Peebles : les fluctuations initiales de densite de DM y sont fortement non-gaussienne. On effectue deux simulations de cotes respectifs 600 et 162 Mpc/h. On confirme des predictions analytiques simples a z=0 et on trouve que les longueurs de correlation des amas et la forme de la distribution de leurs vitesses propres permettent d'invalider ce modele sur la base des donnees actuelles. Il est aussi exclu par des mesures recentes des anisotropies du CMB.

Les étoiles se forment par effondrement gravitationnel de condensations préstellaires au sein de nuages moléculaires. L'objectif principal de cette thèse est de tester, à partir d'observations de transitions moléculaires millimétriques, différents modèles d'effondrement. L'enjeu est de comprendre comment la masse d'une étoile est fixée et dans quelle mesure l'environnement et les conditions initiales influencent l'évolution dynamique d'une condensation. Pour cela, nous avons étudié la structure en vitesse de condensations à partir de signatures spectroscopiques de rotation et de contraction. Nous montrons que l'enveloppe de la proto-étoile de classe 0 IRAM 04191 située dans le nuage du Taureau est animée de mouvements de contraction subsoniques dans sa majeure partie et qu'elle est en rotation différentielle. Nous proposons que la partie interne de l'enveloppe correspond à un coeur supercritique se découplant de la partie externe toujours soutenue par le champ magnétique. Nous suggérons que les propriétés cinématiques d'IRAM 04191 sont représentatives des conditions physiques caractérisant les proto-étoiles isolées juste après la formation de l'embryon stellaire central. D'autre part, l'étude des condensations préstellaires du proto-amas de Rho Ophiuchi montre que les taux d'accrétion associés sont un ordre de grandeur plus forts que pour IRAM 04191, ce qui suggère un effondrement induit par une perturbation extérieure. Nous montrons aussi que les condensations n'auront pas le temps d'orbiter significativement à travers le proto-amas avant de donner naissance à des étoiles de pré-séquence principale. Cela ne favorise pas les scénarii de formation stellaire qui font appel à des interactions dynamiques pour expliquer la fonction de masse initiale des étoiles. En conclusion, nous suggérons que l'effondrement est spontané dans les régions de formation d'étoile isolée comme le nuage du Taureau alors qu'il est probablement induit dans les proto-amas.

Cet exposé résume les travaux que j'ai effectués depuis 1985, l'année de mon doctorat. Ces travaux se subdivisent en trois principales branches: 1) La chimie des environnements circumstellaires (étoiles évoluées - enveloppes oxygénées ou carbonées - et étoiles jeunes). 2) La dynamique gravitationnelle appliquée aux a) l'évolution dynamique et cosmologique des groupes des galaxies; b) effets de projection dans les groupes et amas; c) nature des groupes compacts; d) fréquence des fusions de galaxies et ségrégation morphologique dans les groupes et amas; e) formation de galaxies. 3) Les grands projets d'observation et en particulier le programme DENIS de cartographie complète du ciel austral en infra-rouge proche.

Cette thèse présente l'étude de la rotation des étoiles de faible masse (entre 0,5 et 1,2 M.) pendant leurs phases pré-séquence principale, depuis les T Tauri âgées de quelques millions d'années, et séquence principale, à quelques milliards d'années. Deux approches complémentaires ont été utilisées: les observations apportent de nouvelles mesures de rotation de ces objets et la modélisation permet de comprendre les processus physiques mis en jeu. Les observations ont porté essentiellement sur les amas jeunes, IC4665, Alpha Persée et les Pléiades. Dans ces amas, les étoiles de type solaire sont à un âge charnière entre la phase pré-séquence principale et la séquence principale. Alors qu'un grand pourcentage d'étoiles tournent à des vitesses inférieures à 10 km.s-1 , leurs vitesses de rotation exactes n'étaient pas connues à cause des limites de résolution instrumentales. Grâce aux instruments CORAVEL et ELODIE de l'OHP, toutes les vitesses de rotation sont maintenant résolues dans & Persée et les Pléiades pour les étoiles de masse comprise entre 0,6 et 1,1 M. . Les distributions de vitesse équatoriales en fonction de la masse ont été construites dans les deux amas et sont comparées aux modèles. Un modèle d'évolution du moment cinétique a été développé, qui permet de prendre en compte l'évolution pré-séquence principale: les changements de structure interne, l'effet d'un disque d'accrétion, la perte de moment cinétique à la surface et le transfert de moment cinétique entre le coeur et l'enveloppe. Les nouvelles données apportent des contraintes fortes quand au transport de moment cinétique dans les intérieurs stellaires. Dans les étoiles en rotation rapide, un transfert très efficace du moment cinétique permet à l'étoile de garder une rotation quasi-solide pendant toute son évolution, de la phase T Tauri jusqu'à l'âge du Soleil, en accord avec les observations de l'intérieur solaire. Par contre, l'existence même d'un grand nombre de rotateurs lents nécessite un découplage entre le coeur et l'enveloppe, avec un temps caractéristique de couplage de 100 millions d'années. L'évolution de la vitesse de ces rotateurs très lents au début de la séquence principale, pendant laquelle leur vitesse varie très peu, est également en accord avec un temps de couplage très long.

Nous étudions la formation et les propriétés des systèmes auto-gravitants à l'aide de simulations numériques à N corps d'effondrements gravitationnels. Nous effectuons dans un premier temps une synthèse des principaux résultats analytiques concernant les équations de Boltzmann sans collisions et de Poisson, qui modélisent les systèmes gravitationnels non collisionnels ainsi que certaines solutions analytiques de ce système couplé d'équations. Nous présentons ensuite les codes de calcul utilisés pour les simulations. Nous avons parallélisé certains de ces codes, nous introduisons donc le calcul parallèle et la bibliothèque d'échange de message MPI. Nous exposons enfin les résultats de nos simulations, et leurs analyses. Nous déduisons de ces analyses divers résultats pouvant expliquer différentes caractéristiques des systèmes auto-gravitants ainsi que les conditions initiales nécessaires au déclenchement des instabilités d'Antonov et d'orbites radiales.

Les recherches que j'ai menées depuis mon doctorat ont consisté à étudier l'Univers distant, en particulier la formation et l'évolution des galaxies. Je me suis basé pour cela sur des observations obtenues sur les grands équipements astronomiques (télescopes au sol et spatiaux, radiotélescopes), que j'ai combinées à l'effet bénéfique de l'amplification gravitationnelle fournie par des amas de galaxies massifs. En effet, la présence d'un tel amas sur la ligne de visée va entraîner une augmentation du flux et de la taille des galaxies situées en arrière-plan, à la manière d'un télescope supplémentaire. Cet effet, une fois bien modélisé et calibré, nous permet d'étudier plus facilement et à meilleure résolution les sources distantes qui sont généralement plus faibles. Une grand partie de mon travail a ainsi concerné de multiples observations d'amas de galaxies massifs, dans l'idée de mesurer un grand nombre de systèmes multiples apparaissant par effet de lentille forte. Ceci permet de calibrer le profil de masse de ces amas et de sélectionner les meilleurs télescopes gravitationnels. Le résultat de ces campagnes d'observations est également très important pour construire un échantillon de galaxies distantes amplifiées. Parmi les études sur les galaxies à des décalages spectraux 1 < z < 5, correspondant typiquement au pic de la formation stellaire globale dans l'histoire des galaxies, on peut distinguer les observations résolues et non résolues spatialement. Les galaxies les plus brillantes (intrinsèquement ou par effet d'amplification) sont aussi les plus étendues dans la dimension spatiale, ce qui permet de mesurer leurs propriétés internes : régions multiples de formation stellaire intense dans un même objet, mesure de la cinématique globale en étudiant le champ de vitesse du gaz, ou encore évolution des propriétés chimiques (comme la métallicité du gaz) de part et d'autre de la galaxie. Ce type d'étude nous permet de comprendre les mécanismes physiques en oeuvre dans les galaxies distantes, et de comprendre leur différence par rapport à l'Univers local. Les galaxies les plus faibles sont généralement peu ou pas résolues, ce qui nous donne accès à des mesures globales (taille de l'objet, masse stellaire, luminosité, spectre intégré). Un des avantages de l'amplification est d'obtenir un niveau de signal mesuré suffisant pour étudier les paramètres globaux de galaxies intrinsèquement très faibles, ce qui est entièrement complémentaire aux études de galaxies plus lumineuses ou plus massives en absence d'amplification. Parmi les propriétés statistiques de ces échantillons, les relations d'échelle entre les différents paramètres globaux peuvent être étudiées sur plusieurs ordres de grandeur. Enfin, pour les galaxies les plus distantes (typiquement à z > 5), qui sont moins nombreuses et quasiment non-résolues, on va effectuer des recherches de sources amplifiées pour les étudier en d'etail de manière individuelle. Ces sources ont un intérêt tout particulier car elles auraient une contribution importante au processus de réionisation du milieu intergalactique, qui s'est produit au cours du premier milliard d'années d'histoire de l'Univers. Là encore, l'effet de lentille est très important pour étudier des sources intrinsèquement moins lumineuses, ou des sources très amplifiées que l'on peut étudier par spectroscopie.

Par cobroyage des orthophosphates solides mono et tricalciques, il est possible de préparer l'orthophosphate bicalcique. L'Influence des paramètres : temps de broyage, température, pression de vapeur d'eau sur la cinétique de la réaction de synthèse, suivie par diffraction des rayons X. montre que la vapeur d'eau joue un rôle primordial. Elle agit comme catalyseur de la réaction ou comme réactant pour former de la brushite, composé intermédiaire, se déshydratant ensuite en monétite. La vitesse de dissolution V_d de la monétite de synthèse dans l'eau dépend des conditions de préparation. La modélisation de la dissolution des amas constituant la monétite montre que V_d est limitée par une étape d'interface : Changement de phase ou solvatation.