Thèse (Ph. D.)--Université Laval, 2004. / Titre de l'écran-titre (visionné le 29 mars 2005). "Doctorat sur mesure en Mathématiques-Astrophysique", inscrit au Département de physique. Bibliogr.

Les preuves d'une composante de matière invisible dans l'Univers sont présents à de nombreuses échelles. Cette composante, appelée matière noire (MN), à interaction faible, stable sur des temps cosmologiques, non-relativiste et non-baryonique représente environ 28% du budget d' énergie de l'Univers. L' une des principales stratégies pour identifier la MN est la détection indirecte des produits de son annihilation.Les rayons gamma sont très prometteurs. Le télescope spatiale Fermi-LAT (FL) a mesuré un flux diffus isotrope de gamma, nommé IGRB, qui est généralement associé à l'émission de sources non résolues, mais peut aussi contenir une contribution due à la MN. Les sources gamma les plus nombreuses sont les noyaux actifs de galaxies (NAG) divisés en blazars et NAG non-alignés (NAGna) selon l'orientation de leur jet. Nous avons calculé le flux gamma des NAGna à l'aide de la corrélation entre luminosité radio et gamma pour un échantillon de sources détectées dans les deux bandes. Nous avons ainsi démontré que les très nombreux NAGna peuvent contribuer de 10% à 100% du IGRB mesuré par FL.Nous avons étudié les blazars et, pour la première fois, nous avons utilisé les données de FL et des télescopes TeV au sol en synergie pour dériver leur fonction de luminosité et leur distribution spectrale d'énergie. Nous avons démontré que cette population représente environ 10% du IGRB à 100MeV, jusqu'à sa totalité à des énergies plus élevées, expliquant en détail le ramollissement de l'émission IGRB aux énergies supérieures à 100GeV.Les pulsars sont les sources galactiques le plus nombreuses de gamma et radio. Nous avons calculé que leur contribution maximale au IGRB est de 1% et qu' elles contribuent à hauteur de 8% à l' excès au centre galactique. Compte tenu des résultats précédents, nous avons déduit que l'émission des NAG et des galaxies à sursaut de formation d'étoiles peut expliquer très bien et au même temps l'anisotropie et l'intensité du IGRB. Nous avons calculé les limites supérieures à la section efficace d' annihilation de MN, si on rajoute ce mécanisme d'émission aux contributions astrophysiques. Ces limites sont très strictes, autour de la valeur thermique canonique, pour une large gamme de masses de MN. Nous avons également identifié des régions dans l' espace des paramètres masse MN-section efficace d' annihilation peut améliorer l'ajustement aux données.Les flux de positons (e+) et électrons (e-) pourraient eux aussi cacher un signal de MN. La fraction de e+ (FP) devrait diminuer avec l' énergie si le mécanisme principal de production de e+ était secondaire, à savoir dû à l'interaction des rayons cosmiques avec le milieu interstellaire. Cependant AMS-02 mesure une augmentation de la FP aux énergies supérieures à 10 GeV. Nous avons calculé l'émission de e+ et de e- de rémanent de Supernovae, de nébuleuse de vent de pulsars (NVP) et de production secondaire, montrant que les flux leptoniques peuvent être entièrement expliquée par ces émissions astrophysiques et que la hausse de la FP est compatible avec une émission de paires par les NVP.Enfin, nous avons construit une section efficace phénoménologique pour la production secondaire d'antiprotons, en utilisant les données existantes. Nous avons dérivé que l'incertitude sur la production d'antiprotons totale est d' au moins 20%. Ainsi, à moins que les incertitudes soient réduites grâce à de nouvelles mesures, il sera difficile de dévoiler une contribution de MN au flux d' antiprotons au-delà de la production secondaire avec les prochaines données de AMS-02, à moins que le composant de MN soit dominante dans une certaine gamme d'énergie.Les prochaines années seront très excitantes pour la chasse à la MN: de nouvelles mesures gamma et de particules chargées vont atteindre une précision incroyable; un grand effort devrait être fait dans la modélisation de l' émission de ces flux par des sources astrophysiques afin de démêler un signal de MN des inévitables bruits de fonds / Evidences of an invisible matter component in the Universe are present at many scales. This component, called dark matter (DM), is weakly interacting, stable on cosmological scales, non-relativistic, not made of baryonic particles and costitutes about the 28% of the Universe. One of the main strategies to identify DM is the indirect detection of particles produced via DM annihilation. gamma rays are one of the most promising channels. The Fermi-LAT has measured an isotropic gamma-ray backgound (IGRB) which is associated to the emission from unresolved sources, but could also contain an exotic component from DM. The most numerous gamma-ray sources are the Active Galactic Nuclei (AGN) divided in blazars and misaligned AGN (MAGN) according to the orientation of their jet. We have derived the gamma-ray emission from MAGN using the correlation between the radio and gamma-ray luminosities of a sample of detected sources. The unresolved MAGN are very numerous and we have demonstrated that they can account from 10% up to 100% of the IGRB measured by the Fermi-LAT.We have also studied the blazars and, for the first time, we used the Fermi-LAT data and the IACTs measure- ments in synergy to have a better understanding of their spectral energy distribution (SED). Considering these sets of catalogs, we have derived their SED and gamma-ray luminosity function demonstrating that this population accounts for about 10% of the IGRB at 100 MeV up to its totality at higher energies, fully explaining the softening of the IGRB emission at energy larger than 100 GeV.The most numerous Galactic gamma-ray and radio emitting population is the pulsar class. We have calculated that the maximal contribution of pulsars to the IGRB is 1% and that they contribute up to 8% to the putative gamma-ray excess found in the Galactic center.Using the previous results we have derived that the emission from AGN and Star Forming Galax- ies can provide very good fits to the anisotropy and intensity of the Fermi-LAT IGRB. We have also calculated upper limits to the annihilation cross section of DM adding this exotic emission mechanism to the astrophysical source populations. These limits are quite stringent, around the canonical thermal relic value for a wide range of DM masses. We have also identified regions in the DM mass and annihilation cross section parameter space which can significantly improve the fit to data.Positrons and electrons spectra could also hide a DM signal. The positron fraction (PF) is expected to have a decreasing shape if the main mechanism of positron production is ”secondary”, namely due to the interaction of cosmic rays with the interstellar medium. However AMS-02 measured an increased PF at energy larger than 10 GeV. We have calculated the electron and positron emission from Supernovae Remnants, Pulsar Wind Nebulae and secondary production showing that the electron, positron, PF and the inclusive spectra can be fully explained by these astrophysical emissions and that the rising of the PF is consistent with the Pulsar Wind Nebulae emission of positrons.Finally we have built a phenomenological cross section for the secondary production of antiprotons. We have used the most up-to-date data sets and derived that the uncertainty on the total antiproton production is at least 20%. Thus, unless cross section uncertainties will be reduced thanks to new measurements, it will be difficult to unveil a DM contribution to antiprotons above the secondary production with the upcoming AMS-02 antiproton data, unless the DM component is really dominant in some energy range.The next years will be exciting for the hunting of DM. New measurements on gamma-rays and charged parti- cles are going to reach incredible precision and a strong effort should be done in the modeling of the gamma-ray and charged particles emission from galactic and extragalactic sources in order to disentangle a signal of DM above this unavoidable astrophysical background

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Durant cette thèse, nous avons exploré l'impact qu'engendre une modification de la gravitation sur les courants de marée. Nous avons effectuer les premières simulations N-corps de la formation d'un courant de marée galactique dans le paradigme MOND. Nous avons comparer les résultats ainsi obtenus aux prédictions du modèle standard de la cosmologie, ΛCMD, dans le but de trouver des différences entres-elles qui pourraient être observables. Nous avons remarqué que la brisure du principe d'équivalence fort engendrée une telle modification de la gravitation conduisait les amas globulaires à avoir une morphologie ovoïdale, contrairement à la dynamique Newtonienne où ceux-ci sont elliptiques. Cette morphologie des amas génère également une asymétrie de longueur et de nombre entre les deux bras d'un courant de marée similaire à celle observée récemment dans le courant de Palomar 5. / During this thesis, we explored the impact of a modification of the gravitation on the tidal streams. We made the first N-body simulations of the formation of a galactic tidal stream in the MOND paradigm. We compared the results obtained with the predictions of the standard model of the cosmology, ΛCMD, with the aim of finding differences between them that can be observed. We have noticed that the break of the strong equivalence principle generated by a such modification of the gravitation led to a lopsided morphology of the globular clusters, contrary to their elliptical shape in Newtonian dynamics. This morphology of the cluster also generates an asymmetry of length and of number between the two arms of a tidal stream similar to that observed recently in the Palomar 5 stream.

Depuis la découverte de la première planète orbitant une étoile de la séquence principale autre que le Soleil en 1995, ce champ de recherche a connu une croissance vertigineuse, tant au niveau des observations, que des modèles théoriques développés en parallèle. Même si la formation et l’évolution des systèmes planétaires restent encore mal comprises dans leur globalité, Il est à peu près certain que les planètes se forment dans des disques protoplanétaires et interagissent avec ces derniers durant la phase primordiale de leur évolution. Cette thèse s’attache à décrire certains aspects de ces interactions. Parmi les problèmes soulevés par les nombreuses observations d’exoplanètes, on peut citer l’existence des Jupiter chaudes, géantes gazeuses dont la révolution autour de leur étoile s’effectue en quelques jours à peine. Il est communément admis qu’elles se sont formées dans les parties externes du disque, pour ensuite migrer vers l’intérieur. Cependant , les processus de migration restent encore débattus. On pourra aussi noter qu’un nombre important de planètes détectées, notamment par la méthode des vitesses radiales, présentent de fortes excentricités. Cette observation contraste avec celle de notre propre Système Solaire, où les planètes géantes ont des orbites quasi-circulaires. Cette distribution d’excentricités témoigne probablement d’une certaine richesse dans les interactions dynamiques entre les planètes d’un même système. Un autre résultat majeur des quelques dernières années est l’observation de planètes à faible période orbitale dont l’orbite n’est pas alignée avec l’axe de rotation de leur étoile. Cette observation pourrait potentiellement remettre en question l’idée selon laquelle ces planètes acquièrent leur faible période par le biais de la migration au sein du disque. Par conséquent, il est important de pouvoir différencier quelles sont les caractéristiques observationelles des exoplanètes qui sont le fruit de leurs interactions mutuelles, et celles qui peuvent être expliquées lors de la phase d’interaction avec le disque protoplanétaire. D’une part, cela permet d’imposer des contraintes sur la physique des disques protoplanétaires. D’autre part, il est intéressant de savoir à quoi ressemble le système de planètes une fois que le disque se dissipe, et à quelles conditions intiales peut-on s’attendre lorsque les planètes commencent à interagir entre elles sans la présence du disque. Par exemple, est-il possible pour une ou des planètes d’acquérir de l’excentricité et de l’inclinaison au sein du disque, et de les maintenir par la suite. De plus, il est certain que le disque domine l’évolution des planètes au stage primordial de leur vie, mais jusqu’à quel point cela limite-t-il les interactions entre les planètes ? / Since the discovery of the first planet orbiting a main-sequence star outside the solar system in 1995, the field of exoplanet studies has grown rapidly, both from the observational and theoretical sides. Despite the fact that we are still lacking a global picture for the formation and evolution of planetary systems, it is now commonly accepted that planets form in protoplanetary discs and interact with them in the early stages of their evolution. This thesis aims at studying some of these interactions. The observations of extrasolar planets have brought several puzzling results to the attention of the community. One of them is the existence of hot Jupiters, giant gaseous planets which orbit their parent star with a period of a few days only. The commonly accepted scenario is that they formed in the outer parts of the disc and migrated inward. Furthermore, a significant number of planets detected so far, especially by the method of radial velocities, have high eccentricities. This is in contrast with our own solar system where giant planets have quasi-circular orbits. Such a distribution of eccentricities may be the signature of strong dynamical interactions between the different components of a same planetary system. Finally, there are short-period planets whose orbits is misaligned with the axis of rotation of their host star, which could possibly argue against the smooth migration of planets in their disc. Therefore, it is important to disentangle between the orbital characteristics that planets acquired through mutual dynamical interactions, and the ones they acquired when they interacted with the disc. Firstly, it gives constraints on the physical parameters of protoplanetary discs. Secondly, it is interesting to know the properties of the system of planets after the disc has dissipated, and what sort of initial conditions one can expect when planets start to interact freely one with each other. For instance, one can ask if it is possible for planets to reach large eccentricities and inclinations when the disc was still present, and whether they could maintain them or not.

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.

Nous présentons dans ce travail différentes configurations utilisées pour étudier des éxperiences, pertinentes d'un point de vue astrophysique, mettant en jeu des plasma produits par laser ainsi que des champs magnétiques intenses. les outils théoriques et numériques sont d'abord présentés avec la dérivation complète du modèle de magnétohydrodynamique (mhd) résistive à deux températures. nous décrivons aussi les nouveaux modules de physique implémentés au cours de cette thèse. la configuration de base utilisée pour notre travail consiste en une ou plusieurs cibles solides sur lesquelles un laser intense est envoyé dans le but de générer un plasma se propageant dans le vide. on montre que l'ajout d'un champ magnétique de plusieurs dizaines de teslas influence fortement la dynamique de ce plasma et que selon l'orientation initiale du champ, il est possible de générer différentes structures telles que des jets supersonic/superalfvenic ou encore des «crêpes» de plasma. par exemple, les jets ainsi produits sont caractérisés par des régimes tels que des lois d'échelles entre le système du laboratoire et le système astrophysique (jeunes étoiles connues sous le nom de t tauri) sont applicables. un sujet important et inédit traité dans cette thèse concerne la génération de chocs d'accrétion magnétisés en utilisant les jets mentionnés ci-dessus comme flots accrétant sur des cibles solides. nous mettons notamment l'accent, contrairement à la plupart des travaux précédents, sur la structure 3d de ces chocs et els instabilités présentes. pour chaque cas étudié, nous présentons des nouveaux résultats expérimentaux obtenus par notre collaboration sur le laser elfie du luli. / We present in this work different configurations used as a mean to study astrophysically-relevant (by scaling) experiments using laser-produced plasmas and strong magnetic fields. This work is a contribution to the relatively recent field known as high energy density laboratory astrophysics (hedla). The theoretical and numerical framework used in this this work is first introduced with a detailed derivation of the magnetohydrodynamic (mhd) model for bi-temperature and resistive plasmas. The three-dimensional mhd code gorgon and the new physical modules implemented during this thesis are presented. The basic setup studied here involve one or several solid slabs being used as targets for a joule-class laser. The expanding plasma thus produced is embedded in magnetic fields of strengths up to 40 t. Depending on the orientation of the field relative to the target surface, we show that the resulting plasma dynamic, relatively well described by ideal mhd, is strongly modified by the presence of the field. The first topic treated is related to the production, when the field is perpendicular to the target surface, of super-sonic/alfvenic jets relevant in the context of astrophysical jets observed around young star objects (t tauri stars). When the field is oriented parallel to the surface, we show that the configuration results in the formation of thin unstable plasma slabs. We also studied the possibility to generate magnetized accretion shocks in the laboratory and we detail the 3d structure obtained in this case. Alongise the numerical work, we present for each case mentioned previously, new experimental results obtained by the collaboration on the elfie laser facility (luli).

La période de réionisation est une transition dans l'histoire de l'Univers qui change sont état d'ionisation. Les progrès en calcul intensif permettent maintenant de modéliser l'évolution du phénomène. D'habitude, les analyses se concentrent sur l'évolution de propriétés globales dans les simulations. Différemment, j'ai mis au point une nouvelle technique d'analyse de simulations qui permet d'appréhender le phémomène global de manière locale. Elle s'appuie sur l'extraction d'un arbre de fusion de régions HII pour caractériser le processus de réionisation. La technique a été appliqué dans plusieurs simulations où différents modèles de sources ont été considérés pour étudier leur impact sur la chrono-morphologie du processus. Dans un second temps, l’arbre a permis de caractériser l'histoire de réionisation passée de galaxies de types Voie Lactée. Enfin, la technique a été appliquée dans des simulations du Groupe Local pour quantifier l'histoire de réionisation de MW et M31. / The reionization period is a major step in the history of the Universe that change its ionization state. The increasing progress in high performance computing, allows us to model the phenomenon. Usually, the simulation analyses focus on global properties to constrain the impact of the physic put in the simulations. Alternately, I implemented a method of analysis that apprehend theglobal reionization in terms of multiple ‘local reionizations’. I extracted a merger tree of HII regions from the simulations to characterize the reionization process. I applied the technique in several cosmological simulations, where different ionizing source models were tested to investigate the impact of the source model on the reionization chrono-morphology. I also used the merger tree to characterize the past reionization history of MW type galaxies. I finally applied this methodology in Local Group simulations to quantify the reionization hystory of MW and M31.

Les simulations numériques permettent d’étudier les galaxies. Outre la gravitation, l’inclusion de la formation stellaire, des apports d’énergie et de l’enrichissement métallique dans le milieu interstellaire par les étoiles, du refroidissement du gaz, etc. aboutit aux simulations chémodynamiques. Ces simulations permettent de traiter la dynamique, l’hydrodynamique, les effetsénergétiques, les abondances chimiques, etc. de manière cohérente. J’ai utilisé un code chémodynamique afin de modéliser l’évolution en masse de la poussière, phase solide du milieu interstellaire, aussi bien pour une galaxies massive que pour des galaxies naines. J’ai pu ainsi étudier les effets locaux de l’évolution de la poussière et dans des environnement à faiblemétallicité. Je montre que les simulations chémodynamiques sont indispensables car elles prennent naturellement en compte les effets locaux des mécanismes de production et de destruction, ainsi que le transport de la poussière. / Numerical simulations are a useful tool to understand galaxies. In addition to gravitation, other processes can be included for chemodynamical simulations: star formation, feedback of newly formed and evolving stars, metal enrichment, cooling of the interstellar medium, etc. These simulations describe in a self-consistent way the hydrodynamical and chemical evolution of galaxies. I use chemodynamical simulations to build up a model of evolution of the dust mass, solid component of the interstellar medium, in our Galaxy and in dwarf galaxies. I have performed simulations of a massive galaxy to understand localeffects on dust evolution while simulations of dwarf galaxies have been carried out to follow the dust mass in low metallicity environments. Chemodynamical simulations have shown that they are useful. Indeed, local effects and transport mechanisms are naturally included and turn out to be important for a model of dust mass production and destruction.

Le milieu interstellaire (MIS) des galaxies spirales joue un rôle primordial dans l'évolution des galaxies. Nous nous sommes attachés au cours de cette thèse à caractériser le lien existant entre le MIS dans les galaxies spirales et l'efficacité de la formation stellaire. Dans une première partie, nous étudions la morphologie du disque de gaz atomique de la galaxie spirale fortement inclinée NGC 2683, à l'aide d'un modèle de déprojection de cubes de données radio. Cette étude permet notamment de rendre compte de l'histoire d'accrétion de gaz dans ce système. Dans une seconde partie, nous nous intéressons aux conséquences de la compression du MIS qui peut avoir lieu dans des galaxies situées dans des environnements denses. Notre approche fait usage à la fois de données multilongueur d'onde de galaxies subissant la compression de leur MIS (avec notamment de nouvelles observations millimétriques), de simulations dynamiques de ces galaxies ainsi que d'un modèle analytique donnant accès à la physique aux petites échelles. Notre thèse montre la complémentarité de l'utilisation d'observations, de la modélisation de ces observations et de simulations dynamiques dans l'étude du MIS des galaxies spirales. / The interstellar medium (ISM) of spiral galaxies plays a key role in galaxy evolution. Throughout this thesis we characterized the link between the ISM of spiral galaxies and the star formation efficiency. In a first part, we studied the atomic gas distribution of the highly inclined spiral galaxy NGC 2683, with a deprojection model of radio data cubes. This study gives insight on the gas accretion history in this galaxy. In a second part of this work, we examined the compression effects of the ISM, which occurs in galaxies located in dense environment. Our approach makes use of both a multiwavelength data set of galaxies enduring ISM compression (including new millimeter observations), and dynamical simulations of these galaxies combined with an analytical model which gives access to small scale physics. Our thesis shows the complementarity of high quality observations together with modelisation of these observations and dynamical simulations in the study of the ISM in spiral galaxies.