Les naines brunes sont des objets de masse intermédiaire entre celle nécessaire pour former une étoile et celle d'une planète. Les naines brunes sont classées, des plus chaudes aux plus froides, en types spectraux L, T et Y, caractérisés par une couleur J-K moyenne qui varie de 1.2 à 1.8 pour les étoiles de type L0 à L8, et de 1.8 à -0.5 pour les étoiles de type L8 à T8. Par ailleurs, la couleur J-K de certains types spectraux présente une dispersion de l'ordre d'une magnitude. Ce travail tente de faire la lumière sur la nature de cette grande dispersion, présente dans la couleur J-K des naines brunes de type L2. Les observations ont été réalisées avec la caméra infrarouge CPAPIR à l'Observatoire du Mont Mégantic. Nous avons ciblé un total de 22 naines brunes qui ont été observées en K, et 12 parmi celles-ci ont aussi été observées en J. Chacune des naines brunes a été calibrée à l'aide d'une étoile standard, ce qui rend nos résultats indépendants des données 2MASS. Nous observons une corrélation entre les couleurs J-K de nos données et de celles de 2MASS. Cela montre que la grande dispersion en J-K de nos données et des données 2MASS est due aux propriétés physiques des naines brunes et non à des erreurs observationnelles. L'examen des facteurs qui pourraient être responsables de cette grande dispersion, soit la classification spectrale, la métallicité, la gravité de surface, une binarité non résolue, la présence de nuages de condensats et la rotation, montre que la gravité de surface serait le facteur le plus susceptible d'être responsable de la grande dispersion des valeurs de J-K. / Brown dwarfs are objects with a mass intermediate between that required to form a star and that of a planet. Brown dwarfs are classified, from higher to lower temperature, under spectral types L, T and Y, caracterized by a J-K average color that varies from 1.2 to 1.8 for types L0 to L8, and from 1.8 to -0.5 for types L8 to T8. Furthermore, the J-K color of some spectral types presents more than a magnitude of dispersion. This study attempts to explain the large dispersion of the J-K color of the type L2 brown dwarfs. Observations were made with the infrared camera CPAPIR at the Observatoire du Mont Mégantic. We targeted a total of 22 brown dwarfs that were observed in the K band, and 12 among them were also observed in the J band. Each brown dwarf was calibrated with a standard star, which makes our data independent from those of 2MASS. We observe a correlation between the J-K colors obtained from our data and those from 2MASS. This shows that the large J-K dispersion in the data is due to brown dwarf physical properties and not to observational errors. Consideration of the factors that could be responsible for this large dispersion, namely the spectral classification, the metallicity, the surface gravity, an unresolved binarity, the presence of clouds and rotation, shows that surface gravity is the factor most likely to explain the large J-K color dispersion.

L'outil développé dans le cadre de cette thèse est disponible à l'adresse suivante: www.astro.umontreal.ca/~malo/banyan.php / Près de 70% des étoiles de la Galaxie ont une masse inférieure à ~0.8 Msun. Cependant, étant donné que ces étoiles sont plus difficilement observables en raison de leur plus faible luminosité, cette statistique ne reflète pas le recensement actuel de la population d'étoiles de faible masse dans le voisinage solaire, ni dans les groupes cinématiques d'étoiles jeunes. Cette population a une grande importance pour contraindre la forme de la fonction de masse Galactique, et aussi pour contraindre les modèles évolutifs. Les étoiles de faible masse sont aussi d'excellentes cibles pour la recherche d'exoplanètes avec des techniques variées (imagerie directe, vitesse radiale, transit). La caractérisation des exoplanètes autour de ces étoiles est tributaire des connaissances fondamentales sur celles-ci, c'est-à-dire de leur luminosité bolométrique, température effective, rayon et âge. Dans la présente thèse, dont le but est d'identifier et caractériser les étoiles de faible masse, une méthode statistique a été développée afin d'établir quantitativement l'appartenance d'une étoile à un groupe en dérivant une probabilité d'association. Cette méthode combine l'inférence Bayesienne et des modèles empiriques de plusieurs observables, dont la luminosité, vitesse spatiale et position galactique, de membres confirmés de 7 groupes d'étoiles jeunes (8-120 Mans) ainsi que d'étoiles vieilles du champ. Les étoiles ayant une probabilité d'association minimale de 90% sont considérées comme des candidates. L'analyse développée prédit aussi la vitesse radiale et la distance trigonométrique qu'une étoile aurait dans une association donnée. L'analyse a montré, pour les 177 membres confirmés, un excellent accord entre les paramètres prédits et observés, soit de 1.9 km/s et 10% respectivement, pour la vitesse radiale et la parallaxe. La mesure de ces paramètres pour les candidates est donc une bonne manière de confirmer leur appartenance à l'association. Cette méthode robuste a été appliquée sur un échantillon de 758 étoiles montrant des signes de jeunesse (émission H$\alpha$ et rayons X). L'analyse a permis d'identifier 214 candidates hautement probables, et le suivi spectroscopique de ces étoiles a permis, jusqu'à présent, de confirmer la justesse de la prédiction en vitesse radiale pour 130 étoiles. Ces observations spectroscopiques ont aussi permis de mesurer leur vitesse de rotation, qui s'est avérée élevée comparativement aux étoiles vieilles du champs. La mesure de la distance trigonométrique était aussi en accord avec la prédiction pour 18 candidates jeunes. Grâce aux membres dont l'appartenance à un groupe jeune a été confirmée, un modèle empirique de la luminosité en rayon X des étoiles a pu être établi. Cette luminosité s'est avérée significativement plus élevée (environ 4 fois plus) pour les étoiles des groupes les plus jeunes (~8-12 Mans) que pour celles des groupes plus vieux (~120 Mans). Cet observable constitue donc un bon indicateur d'âge. La comparaison des spectres de 59 candidates à des modèles d'atmosphère a permis de déterminer trois paramètres fondamentaux: la luminosité bolométrique, la température effective et le rayon. Globalement, les candidates jeunes ont une luminosité plus élevée et un rayon plus grand que les étoiles vieilles. De récents modèles évolutifs incluant le traitement d'une dynamo de type rotationnel et générant un champ magnétique de surface de 1 à 2.5 kGauss ont été utilisés pour déterminer l'âge isochronal de ces étoiles. Les âges ainsi déterminés pour les étoiles de l'association \beta Pictoris en utilisant des étoiles de types spectraux différents sont davantage cohérents (types K5V-M0V: 24 Mans, types M1V-M4V: 14 Mans) et sont aussi cohérents avec l'âge déterminé indépendamment pour le groupe en utilisant l'abondance du lithium des membres de faible masse (26 Mans). / About 70% of the stars in the Galaxy have a mass inferior than ~0.8 Msun. However, this statistic does not reflect the current census population of low mass in the solar neighborhood and in young kinematic groups, since their low luminosity make their observation more difficult. This population is of great interest to check the validity of the Galactic mass function, and also to constraint evolutionary models. The low-mass stars are also excellent targets for the search for exoplanets using various techniques (direct imaging, radial velocity, transit). The characterization of the exoplanets orbiting these stars depends mostly on our basic knowledge of the host star, that is their bolometric luminosity, effective temperature, radius and age. The present thesis aim to identify and characterize low-mass stars. Toward that end, a statistical method has been developed to determine quantitatively the membership probability of a star to a young kinematic group. This method combines the Bayesian inference and empirical models of several observables such as the brightness, Galactic space velocity and position of bona fide members of 7 young stars groups (8-120 Mans), as well as old field stars. Stars with a membership probability greater than 90% are considered candidate members. The analysis also predicts the radial velocity and distance that a star would have if it was an actual member. For the 177 previously-known members, an excellent agreement was found between the predicted and observed parameters (1.9 km/s and 10% for the radial velocity and parallax, respectively). Measuring these observables for the candidates stars is thus a good way to confirm their membership. This robust method was applied to a sample of 758 stars which showed signs of youth (H$\alpha$ and X-ray emission). It allowed to identify 214 highly probable candidates. The spectroscopic follow-up yields a radial velocity in agreement with predictions for 130 stars. These spectroscopic observations also allowed to measure their projected rotational velocity, which turned out to be higher than that of the old population of stars. Trigonometric distance measurements were also obtained and were coherent with predictions for 18 young candidates. Using the confirmed members, a new empirical model of the X-ray luminosity was developed. The X-ray luminosity was found to be about 4 times higher for stars around ~8-12Myr than for older, ~120Myr stars, thus, this observable is a good age indicator in this range. Comparing the spectra of 59 young candidate members to atmosphere models allowed to determine three basic parameters: the bolometric luminosity, the effective temperature and the radius. Overall, these candidates are more luminous and have a greater radius than old stars. Recent evolutionary models that include the rotational dynamo-type treatment and produce magnetic field strength of 1 to 2.5 kGauss were used to derive an isochronal age for each star. The ages determined for \beta Pictoris moving group members using stars of different spectral types are coherent with one another (types K5V-M0V: 24 Mans, types M1V-M4V: 14 Mans) and are also coherent with age determined independently using lithium abundance of the low-mass members (26 Mans).

L’objectif principal de cette thèse est d’identifier les étoiles de faible masse et naines brunes membres d’associations cinématiques jeunes du voisinage solaire. Ces associations sont typiquement âgées de moins de 200 millions d’années et regroupent chacune un ensemble d’étoiles s’étant formées au même moment et dans un même environnement. La majorité de leurs membres d'environ plus de 0.3 fois la masse du Soleil sont déjà connus, cependant les membres moins massifs (et moins brillants) nous échappent encore. Leur identification permettra de lever le voile sur plusieurs questions fondamentales en astrophysique. En particulier, le fait de cibler des objets jeunes, encore chauds et lumineux par leur formation récente, permettra d’atteindre un régime de masses encore peu exploré, jusqu'à seulement quelques fois la masse de Jupiter. Elles nous permettront entre autres de contraindre la fonction de masse initiale et d'explorer la connection entre naines brunes et exoplanètes, étant donné que les moins massives des naines brunes jeunes auront des propriétés physiques très semblables aux exoplanètes géantes gazeuses. Pour mener à bien ce projet, nous avons adapté l'outil statistique BANYAN I pour qu'il soit applicable aux objets de très faibles masses en plus de lui apporter plusieurs améliorations. Nous avons entre autres inclus l'utilisation de deux diagrammes couleur-magnitude permettant de différencier les étoiles de faible masse et naines brunes jeunes à celles plus vieilles, ajouté l'utilisation de probabilités a priori pour rendre les résultats plus réalistes, adapté les modèles spatiaux et cinématiques des associations jeunes en utilisant des ellipsoïdes gaussiennes tridimensionnelles dont l'alignement des axes est libre, effectué une analyse Monte Carlo pour caractériser le taux de faux-positifs et faux-négatifs, puis revu la structure du code informatique pour le rendre plus efficace. Dans un premier temps, nous avons utilisé ce nouvel algorithme, BANYAN II, pour identifier 25 nouvelles candidates membres d'associations jeunes parmi un échantillon de 158 étoiles de faible masse (de types spectraux > M4) et naines brunes jeunes déjà connues. Nous avons ensuite effectué la corrélation croisée de deux catalogues couvrant tout le ciel en lumière proche-infrarouge et contenant ~ 500 millions d’objets célestes pour identifier environ 100 000 candidates naines brunes et étoiles de faible masse du voisinage solaire. À l'aide de l'outil BANYAN II, nous avons alors identifié quelques centaines d'objets appartenant fort probablement à une association jeune parmi cet échantillon et effectué un suivi spectroscopique en lumière proche-infrarouge pour les caractériser. Les travaux présentés ici ont mené à l'identification de 79 candidates naines brunes jeunes ainsi que 150 candidates étoiles de faible masse jeunes, puis un suivi spectroscopique nous a permis de confirmer le jeune âge de 49 de ces naines brunes et 62 de ces étoiles de faible masse. Nous avons ainsi approximativement doublé le nombre de naines brunes jeunes connues, ce qui a ouvert la porte à une caractérisation statistique de leur population. Ces nouvelles naines brunes jeunes représentent un laboratoire idéal pour mieux comprendre l'atmosphère des exoplanètes géantes gazeuses. Nous avons identifié les premiers signes d’une remontée dans la fonction de masse initiale des naines brunes aux très faibles masses dans l'association jeune Tucana-Horologium, ce qui pourrait indiquer que l’éjection d’exoplanètes joue un rôle important dans la composition de leur population. Les résultats du suivi spectroscopique nous ont permis de construire une séquence empirique complète pour les types spectraux M5-L5 à l'âge du champ, à faible (β) et très faible (γ) gravité de surface. Nous avons effectué une comparaison de ces données aux modèles d'évolution et d'atmosphère, puis nous avons construit un ensemble de séquences empiriques de couleur-magnitude et types spectraux-magnitude pour les naines brunes jeunes. Finalement, nous avons découvert deux nouvelles exoplanètes par un suivi en imagerie directe des étoiles jeunes de faible masse identifiées dans ce projet. La future mission GAIA et le suivi spectroscopique complet des candidates présentées dans cette thèse permettront de confirmer leur appartenance aux associations jeunes et de contraindre la fonction de masse initiale dans le régime sous-stellaire. / The main objective of this thesis is the identification of low-mass star and brown dwarf members of young moving groups in the solar neighborhood. These associations are typically younger than 200 million years and include stars formed at the same time and in the same environment. The majority of their members with masses approximately larger than 0.3 times that of the Sun have already been discovered, however the less massive, fainter members are still elusive. Their identification will allow us to address several fundamental questions in astrophysics. In particular, uncovering young objects that are still warm because of their recent formation will allow us to probe masses down to only a few times the mass of Jupiter, a mass regime which is still poorly understood. They will allow us to constrain the initial mass function and explore the connection between brown dwarfs and exoplanets, given that the least massive brown dwarfs have physical properties similar to those of gaseous giant exoplanets. In order to carry through this project, we have adapted the BANYAN I statistical tool to make it applicable to very low-mass objects in addition to bringing several improvements to the tool. We have included the use of two near-infrared color-magnitude diagrams that allow differentiating young low-mass stars and brown dwarfs from older objects, we added the use of prior probabilities to make its results more realistic, we adapted spatial and kinematic models of moving groups using tridimensional gaussian ellipsoids with axes free to rotate, we performed a Monte Carlo analysis to characterize the rate of false-positive and false-negatives, and we revised the structure of its source code to make it more efficient. As a first step, we have used this new algorithm, BANYAN II, to identify 25 new candidate members among a sample of 158 known young low-mass stars (with spectral types > M4) and brown dwarfs. We have then performed a cross-correlation of two all-sky near-infrared catalogs consisting of ~ 500 million celestial objects to identify approximately 100 000 brown dwarf and low-mass star candidates in the solar neighborhood. We have identified a few hundred promising young association members in this sample with the BANYAN II tool, and have performed a near-infrared spectroscopic survey to characterize them. The work presented here has led to the identification of 79 candidate young brown dwarfs and 150 candidate young low-mass stars, and a spectroscopic follow-up allowed us to confirm the young age of 49 brown dwarfs and 62 low-mass stars. We have thus boosted the number of known young brown dwarfs by a factor ~ 2, opening the door to a statistical characterization of their population. These new young brown dwarfs represent an ideal laboratory to better understand the atmospheres of gaseous giant exoplanets. We have identified the first signs of a turn-up in the initial mass function of very low-mass brown dwarfs in the Tucana-Horologium association, which could indicate that exoplanet scattering plays a significant role in composing their population. Results from this spectroscopic follow-up has allowed us to construct an complete empirical sequence of spectral types M5-L5 for field dwarfs, low-gravity (β) and very low-gravity (γ) dwarfs. We have performed a comparison of these new data with evolution and atmosphere models, and constructed a set of empirical spectral type-magnitude and color-magnitude sequences for young brown dwarfs. Finally, we have discovered two new exoplanets from a direct-imaging follow-up of low-mass stars discovered as part of this project. The future GAIA mission and the complete spectroscopic follow-up of the candidates presented in this thesis will allow to confirm their membership and to constrain the initial mass function in the substellar regime.

La contribution des processus de fusion de galaxies lors de l'assemblage cosmologique de masses est encore mal comprise. Dans ce contexte, l'étude du support dynamique des galaxies est un moyen permettant de contraindre les différents scénarios d'évolution.Dans une première partie, je présente ma contribution à l'analyse cinématique des galaxies de l'échantillon MASSIV. Je définis une technique d'analyse qui vise à quantifier la fraction d'objets susceptibles d'être le produit d'une fusion.J'introduis dans une seconde partie une méthode de construction de conditions initiales de galaxies idéalisées.Dans une troisième partie, je présente la définition de l'échantillon de simulations MIRAGE, reproduisant les propriétés physiques des galaxies jeunes. Les simulations montrent en particulier l'absence de flambées de formation stellaire durant les fusions ce qui suggère un mécanisme de saturation.Une analyse des propriétés des complexes granulaires issus d'instabilités gravitationnelles est réalisée dans la quatrième partie, soulignant la compatibilité du scénario granules âgés avec les observations en terme de taux d'éjection de gaz et d'âge de populations stellaires. Je mets en évidence que le mécanisme de fusion de granules permet de contrôler la croissance de la masse du bulbe, d'aplatir le profil central de densité du halo de matière sombre ainsi que d'éjecter de grandes quantités de gaz.Dans une cinquième partie, je complète ce travail en réalisant une étude comparative des données cinématiques MASSIV à plus de 4000 pseudo-observations construites à partir des simulations de l'échantillon MIRAGE afin de déterminer la capacité à détecter des signatures de fusion. / The contribution of the fusion processes to the cosmological mass assembly is still poorly understood. In this context, the study of the dynamical support of galaxies is a way to constrain different evolution scenarios.In the first part, I introduce my contribution to the kinematical analysis of galaxies MASSIV. I define an analysis that aims at quantifying the fraction of objects that are likely to be the product of a recent merger.I introduce in the second part a method to build initial conditions of idealized galaxies.In the third part, I present the definition of the simulation sample MIRAGE, designed to reproduce the physical properties of young galaxies. The simulations show in particular the absence of a star formation bursts in mergers of fragmented and turbulent disks, suggesting a saturation mechanism.An analysis of the properties of clumps that are generated by gravitational instabilities is performed in the fourth part of this thesis, highlighting the compatibility of long-lived clumps scenarios with observations in terms of outflowing material and stellar population ages. I also highlight that the gas rich clump fusion mechanism is able to control the bulge mass growth, to erode the central profile of the dark matter halo and to drive massive gas outflows in the disk plane.Finally, in the fifth part, I complete this work by carrying out a comparative study of the MASSIV kinematical data to a set of more than 4000 pseudo-observations at z=1.7 built from simulations of the MIRAGE sample to determine the ability to detect galaxy merger signatures.

Les galaxies massives sont moins nombreuses que ce qui est attendu avec le modèle standard (le modèle Λ-CDM). Ceci ce traduit par une formation d’étoiles moins importante que prévue dans les galaxies. Pour expliquer celà, il est globalement accepté que des processus stoppent le formation d’étoiles. Pour les galaxies massives, ceci est expliqué par l’action des trous noirs supermassifs. En accrétant du gaz, le trou noir central produit de l’énergie et de l’impulsion. Quand l’accrétion devient importante, le trou noir forme un noyau actif de galaxie, et l’énergie peut ralentir la formation d’étoiles, par chauffage du gaz, de la turbulence, ou par ablation du gaz (feedback négatif). Cependant, il existe des cas de feedback positif qui favorise la formation d’étoiles en comprimant le gaz. En particulier, une partie des noyaux actifs produisent des jets de plasma qui sont observés en émission radio. Ces jets radio peuvent intéragir avec du gaz le long de leur direction de propagation. Des telles interactions sont susceptibles de déclencher de la formation d’étoiles (formation induite par les jets). Ma thèse porte sur les interactions jet-gaz dans des radio galaxies proches. J’ai étudié l’effet du jet sur l’efficacité de la formation d’étoiles pour des interactions à des échelles globales (quelques kiloparsecs) et intermédiaires (quelques centaines de parsecs). Pour celà, j’ai observé et cartographié le gaz moléculaire, qui est un élément clé de la formation d’étoiles. Cette phase froide est observable grâce aux équipements au sol actuels de radio astronomie, comme ALMA, APEX, NOEMA et le 30m de l’IRAM. / Massive galaxies are less abundant than predicted by the standard model of galaxy formation (the Λ-CDM model). This means that galaxies form less stars than expected. To explain this behaviour, it is commonly accepted that some processes are at play and quench star formation. For massive galaxies, it is explained by the feedback of the supermassive black holes. While accreting gas, the central black hole produces energy and momentum. When gas accretion becomes important, the black hole forms an active galactic nucleus, and the energy is expected to quench star formation, via gas heating, turbulence or gas removal (negative feedback). However, evidence is found of so-called AGN positive feedback that favours star formation by compressing the gas. In particular, a fraction of the AGN population produces jets of plasma that are observed in radio emission. These radio jets may interact with gas that is located along the direction of propagation. Such interactions are invoked to trigger star formation (jet-induced star formation). My PhD focused on the jet-gas interaction for nearby radio galaxies. I explored the effect of the jet on the star formation efficiency in such interactions at global (few kiloparsecs) and intermediate (few hundreds parsecs) scales. To do so, I searched and mapped the molecular gas (via CO emission lines) that is a key ingredient for star formation. This cold gas is observable using current radio astronomy ground-based facilities, like ALMA, APEX, NOEMA and the 30m telescope.

La présente thèse porte sur quatre aspects différents de l’astronomie des hautes énergies.La première partie de ma thèse est dédiée à un développement instrumental pour les télescopes Cherenkov imageurs, le système de déclenchement de niveau 2 du télescope de 28 mètres du réseau H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System). Mon travail s’est focalisé sur l’invention d’algorithmes et les simulations Monte-Carlo du système de déclenchement, ainsi que la comparaison de la reconstruction au niveau de la carte de déclenchement à la reconstruction ”hors-ligne” (Moudden,Barnacka, Glicenstein et al. 2011a; Moudden, Venault, Barnacka et al. 2011b). Je décris le système et j’évalue ses performances.Le réseau H.E.S.S. a observé le blazar PKS1510-089. La deuxième partie de ma thèse traite de l’analyse des données et la modélisation de l’émission large bande de ce blazar. C’est un exemple de quasar radio à spectre plat (FSRQ), pour lequel il n’est attendu aucune émission aux très hautes énergiesJ’ai modélisé les données observées pendant un "flare” de PKS1510-089. Ce modèle est basé sur un scénario de choc interne à une zone.Le troisième chapitre de ma thèse est une étude d’un autre phénomène affectant potentiellement les blazars observés par FERMI-LAT: l’effet de lentille gravitationnelle fort. Cette partie de ma thèse montre le premier indice de présence d’un effet de lentille gravitationnelle dans le domaine des photons de haute énergie. Cet indice provient de l’observation d’un écho dans la courbe de lumière du blazar distant PKS1830-211, qui est une lentille gravitationnelle connue. Les méthodes d’estimation des retards temporels dans les systèmes de lentille gravitationnelles reposent sur la corrélation croisée des courbes de lumière individuelles. Dans l’analyse présentée dans cette thèse, j’ai utilisé des photons de 300 MeV à 30 GeV détectés par l’instrument FERMI-LAT. L’instrument FERMI-LAT ne peut pas séparer spatialement les images des lentilles gravitationnelles fortes connues. La courbe de lumière observée est donc la superposition des courbes de lumière des images individuelles. Les données du FERMI-LAT ont l’avantage d’être des séries temporelles régulièrement espacées,avec un bruit de photons très bas. Cela permet d’utiliser directement les méthodes de transformées de Fourier. Un retard temporel entre les images compactes de PKS1830-211 a été recherché par deux méthodes : une méthode d’auto-corrélation et la méthode du ”double spectre”. La méthode du double spectre fournit un signal de 27 ± 0.6jours (statistique) avec une significativité de 4.2 σ. Ce résultat est compatible avec ceux de Lovell et al (1998) et Wiklind et Combes (2001).La dernière partie de ma thèse est consacrée à un effet de lentille différent, le ”femtolensing”. La recherche d’effets de femtolensing a été utlisée pour obtenir des limites sur l’abondance de trous noirs primordiaux. Celle-ci a été contrainte de manière significative dans un large domaine de masses. Les limites les moins contraignantes ont été établies pour les objets de faible masse, pour lesquels la détection représente un défi expérimental. J’ai utilisé les sursauts gamma de redshift connus d´etectés par le Fermi Gamma Ray Burst Monitor (GBM) pour rechercher d’éventuels effets de femtolensing produits par des objets compacts sur la ligne de visée. L’absence de ces effets de femtolensing montre que des trous noirs primordiaux de masse comprises entre 5×10^17 et 10^20 g ne constituent pas une fraction importante de la matière noire. J’ai effectué mes études de thèse en co-tutelle entre le Centre Astronomique Nicolaus Copernicus de l’académie des sciences polonaise, à Varsovie et l’Institut de Recherches sur les Lois fondamentales de l’Univers du CNRS à Saclay, en France. / This thesis presents the study of four aspects of high energy astronomy.The first part of my thesis is dedicated to an aspect of instrument development for imaging atmospheric Cherenkov telescopes, namely the Level 2 trigger system of the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.). My work on the project focused on the algorithm development and the Monte Carlo simulations of the trigger system and overall instrument (Moudden, Barnacka, Glicenstein et al. 2011a; Moudden, Venault, Barnacka et al. 2011b). The hardware implementation of the system is described andits expected performances are then evaluated. The H.E.S.S. array has been used to observe the blazar PKS 1510-089.The second part of my thesis deals with the data analysis and modeling of broad-band emission of this particular blazar. In part II of my thesis, I am presenting the analysis of the H.E.S.S. data: the light curve and spectrum of PKS 1510-089, together with the FERMI data and a collection of multi-wavelength data obtained with various instruments. I am presenting the model of PKS 1510-089 observations carried out during a flare recorded by H.E.S.S.. The model is based on a single zone internal shock scenario.The third part of my thesis deals with blazars observed by the FERMI-LAT, but from the point of view of other phenomena: a strong gravitational lensing. This part of my thesis shows the first evidence for gravitational lensing phenomena in high energy gamma-rays. This evidence comes from the observation of a gravitational lens system induced echo in the light curve of the distant blazar PKS 1830-211. Traditionalmethods for the estimation of time delays in gravitational lensing systems rely on the cross-correlation of the light curves from individual images. In my thesis, I used 300 MeV-30 GeV photons detected by the Fermi-LAT instrument. The FERMI-LAT instrument cannot separate the images of known lenses. The observed light curve is thus the superposition of individual image light curves. The FERMI-LAT instrument has the advantage of providing long, evenly spaced, time series with very low photonnoise. This allows to use directly Fourier transform methods. A time delay between the two compact images of PKS 1830-211 has been searchedfor both by the autocorrelation method and a new method: the “double power spectrum”. The double power spectrum shows a 4.2 σ evidence for a time delay of 27.1±0.6 days (Barnacka et al. 2011), consistent with the results from Lovell et al. (1998) and Wiklind & Combes (2001).The last part of my thesis concentrates on another lensing phenomena called ”femtolensing”. The search for femtolensing effects has been used to derive limits on the primordial black holes abundance. The abundance of primordial black holes is currently significantly constrained in a wide range of masses. The weakest limits are established for the small mass objects, where the small intensity of the associated physical phenomenon provides a challenge for current experiments. I have usedgamma-ray bursts with known redshifts detected by the FERMI Gamma-ray Burst Monitor (GBM) to search for the femtolensing effects caused by compact objects. The lack of femtolensing detection in the GBM data provides new evidence that primordial black holes in the mass range 5 × 10^17 – 10^20 g do not constitute a major fraction of dark matter (Barnacka et al. 2012). My Ph.D. studies have been carried out jointly between the Nicolaus Copernicus Astronomical Center of the Polish Academy of Sciences, in Warsaw in Poland and the IRFU institute of the Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives(CEA) Saclay in France.

Cette thèse a été réalisée entre 2014 et 2017 en vue de la préparation d'une mission probatoire du projet Imageur de Fresnel permettant de réaliser des observations astronomiques dans le domaine ultraviolet (UV). Il s'agit d'un modèle de télescope spatial diffractif imaginé et développé principalement par Laurent Koechlin depuis 2004. Son optique primaire est une grille de Fresnel, optique très légère (de l'ordre du kilogramme) parfaitement adaptée pour servir à une mission d'observation spatiale de très grande envergure, utilisant le principe des réseaux zonés de Fresnel. Afin de prouver la faisabilité d'une mission probatoire sur la Station Spatiale Internationale (ISS) fonctionnant dans l'ultraviolet, l'instrument doit d'abord faire la preuve de ses performances au sol. Le premier objectif a donc été de concevoir un nouveau prototype sol adapté à l'observation dans l'ultraviolet. Cela a nécessité la définition d'une nouvelle configuration de l'ensemble du système imageur, ainsi que la réalisation de nouvelles optiques, et en particulier celle du correcteur du chromatisme induit par la grille d'un nouveau genre. Il s'agit d'un miroir de Fresnel blazé concave, qui a été réalisé pour la première fois avec succès. Le second a été de perfectionner le modèle de grille de Fresnel, afin d'en améliorer ses qualités de haut contraste en conservant sa résolution maximale. Cela s'est fait par la modification des barreaux de maintien des anneaux, ainsi que par l'application d'une apodisation adaptée à cette optique particulière. La nouvelle grille du prototype d'une largeur de 65 mm seulement, permet théoriquement d'atteindre une dynamique de 10^6 à 15 resels (éléments de résolution), probablement meilleure avec la grille qui sera utilisée pour la mission probatoire, et bien supérieure encore avec les grilles de grandes dimensions si un jour elles sont utilisées pour l'astrophysique UV. / This Ph.D. thesis work was made between 2014 and 2017, in order to prepare a probatory mission of the Fresnel Imager for astronomical observations in the ultraviolet (UV) domain. The Fresnel Imager is a concept of diffractive telescope created and developed mainly by Laurent Koechlin since 2004. Its primary optics is a Fresnel grid: a very light weight optics (in the range of kilograms) using the principle of Fresnel zone plates. Fresnel arrays are adapted to large apertures in space. In order to prove the feasibility of a probatory mission on the International Space Station (ISS), the instrument has first to prove its performances on the ground. The initial goal of my thesis was to conceive a new prototype adapted to UV. This required a new configuration of the entire imaging system, as well as the realization of new optics, particularly those correcting the chromatism induced by that new kind of diffractive imaging. This chromatic corrector is a concave blazed Fresnel mirror, which has been successfully realized for the first time. The second goal was to improve the design of the Fresnel grid, in order to enhance its high contrast performances while preserving its diffraction-limited resolution. This was obtained by modifying the setup which holds the rings in place, as well as by the application of an apodization adapted to this particular optics. The new Fresnel grid in the prototype is 65 mm x 65 mm only, but its point spread function reaches a dynamic range of 10^6 at 15 resels (resolution element) from center. This will be further improved when a slightly larger array planned for the probatory mission on the ISS. Later, space missions could feature Fresnel grids several meters in size, yielding diffraction-limited images in the UV.

L'étude cinématique des galaxies locales et lointaines permet de contraindre les scénarios de formation et d'évolution des galaxies. Pour cela, la spectroscopie à champ intégral permet une étude détaillée de la cinématique des galaxies proches et fournit depuis peu des indices sur la cinématique des galaxies lointaines. Cette thèse s'appuie principalement sur l'utilisation de l'échantillon cinématique de galaxies locales GHASP. Cet échantillon de référence composé de 203 galaxies spirales et irrégulières de l'Univers local dans des environnements peu denses observées par interférométrie de Fabry-Perot autour de la raie Hα (6563 Å) est le plus grand échantillon de données Fabry-Perot à ce jour. Après un passage en revue des principes de l'interférométrie Fabry-Perot et des nouveautés apportées à la réduction des données Fabry-Perot, mon implication dans le développement du 3D-NTT, nouvel instrument utilisant deux Fabry-Perot est exposée de même que ma participation au projet de spectrographe à grand champ pour les ELT, WFSpec, dont l'objectif est l'étude de l'évolution des galaxies. Je présente dans une deuxième partie les données GHASP. Cet échantillon a été entièrement réduit et analysé à l'aide de nouvelles méthodes. L'analyse cinématique de l'échantillon à partir des cartes cinématiques 2D a été initiée en particulier avec l'étude de la distribution des halos de matière sombre, de la forme des courbes de rotation, de l'influence des potentiels barrés et de la dispersion de vitesses du gaz ionisé. Dans une troisième partie, cet échantillon local sert de point de référence pour l'étude de la cinématique des galaxies lointaines. L'échantillon GHASP est projeté à grand décalage spectral (z = 1.7) afin de déterminer les biais observationnels liés au manque de résolution spatiale des données cinématiques de galaxies lointaines obtenues par SINFONI, OSIRIS et GIRAFFE. L'analyse cinématique de nouvelles observations SINFONI y est également présentée, et l'ensemble des données cinématiques 2D de la littérature est mis en regard avec les résultats obtenus sur l'échantillon GHASP, mettant en évidence une évolution du support dynamique des galaxies avec le temps.

GLAST est la nouvelle génération de télescope spatial pour l'étude des rayons gamma et devrait très largement améliorer notre connaissance du ciel à haute énergie, dès son lancement en août 2007.<br />Les données du faisceau-test mené au GANIL avec des ions de basse énergie, ont permis de contribuer à l'étalonnage en énergie du LAT. Ces données ont été analysées pour mesurer la non-linéarité de la production de lumière dans le CsI en réponse au dépôt d'énergie des ions, des protons au krypton et pour des énergies allant de 0 à 73MeV par nucléon. Les résultats obtenus se sont révélés complémentaires aux mesures de scintillation du CsI, réalisées lors du faisceau-test mené au GSI pour des ions lourds relativistes . La connaissance de la non-linéarité de la réponse des cristaux de CsI de GLAST aux ions de haute énergie est indispensable pour réaliser l'étalonnage en énergie en orbite des détecteurs à l'aide des rayons cosmiques.<br /><br />Le rejet des évènements hadroniques est un autre problème clé pour GLAST, or, l'élaboration des algorithmes repose sur la simulation Monte-Carlo officielle de GLAST, GlastRelease. Les cascades hadroniques mesurées lors du faisceau-test mené au GSI et lors d'un autre faisceau-test mené au CERN sur le SPS, sont utilisées pour confronter les codes de simulation, disponibles sur la plate-forme logicielle GEANT4 qui est à la base de GlastRelease. En vérifiant la bonne reproduction de certaines observables simples, pour des cascades hadroniques générées par des protons ou de pions de .7GeV , 3.4GeV, 10GeV et 20GeV, on conclue qu'à haute énergie le modèle par défaut, LHEP, est valable, alors qu'à basse énergie, le modèle de cascade intranucléaire de Bertini devrait être utilisé.

Ce mémoire aborde la problématique de la matière noire, sous des angles à la fois phénoménologiques et expérimentaux. Dans le MSSM, la matière noire froide et non-baryonique, mise en évidence aux différentes échelles de l'univers par ses effets gravitationnels, trouve une origine sous la forme de fermions de Majorana : les neutralinos. Ces particules peuvent en principe s'annihiler dans zones où elles sont naturellement concentrées, comme le coeur des halos de galaxies, et être à l'origine de rayonnement gamma. Or, les flux prédits pour ces modèles sont génériquement faibles au regard des sensibilités expérimentales. Après avoir établi des prédictions de flux de photons gamma pour les galaxies M31 et Draco dans le cadre du MSSM, nous généralisons les couplages du MSSM au moyen d'un lagrangien effectif. Nous montrons que la seule contrainte d'une densité fossile d'intérêt cosmologique suffit évidemment à réduire considérablement les flux de photons, indépendamment de la nature quantique de la matière noire (fermions de Dirac/Majorana), mais que des couplages effectifs permettent d'atteindre des prédictions plus optimistes. Enfin, nous présentons la recherche de signature de matière noire supersymétrique opérée avec le télescope à effet Tcherenkov CELESTE, reposant sur l'observation de la galaxie M31. Nous développons une méthode de reconstruction spectrale, préalable à la recherche d'un signal exotique. L'analyse des données collectées sur M31 permet d'obtenir la première limite expérimentale sur une galaxie dans l'intervalle 50-500 GeV, et fournit une information astrophysique dépassant la seule problématique de la matière noire.