La majorité des exoplanètes connues à ce jour ont été découvertes par la méthode du transit, qui infère indirectement l’existence de tels objets, si l’alignement le permet, en mesurant la baisse temporaire et répétée de la brillance d’une étoile lors du passage d’une exoplanète devant celle-ci. La recherche de biosignatures, donc de vie, dans l’atmosphère d’une exoplanète est désormais le principal objectif dans ce domaine d’études, et pour maintes raisons, celles de taille de moins d’approximativement deux rayons terrestres autour d’étoiles naines rouges sont particulièrement convoitées. Afin de connaître davantage de tels systèmes dans le voisinage solaire et dans toutes les régions du ciel, le Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) fut lancé en avril 2018. Le grand échantillonnage de 21'' par pixel des caméras à bord de TESS résulte fréquemment à une contamination des données des étoiles d’intérêt montrant un signal prometteur de transit, par le flux d’autres étoiles à proximité. Lorsque l’une de ces sources contaminantes est une étoile binaire à éclipses, phénomène astrophysique pouvant mimer un transit, la détection constitue très souvent un événement faux positif. Ainsi, de nouvelles observations photométriques et spectroscopiques sont généralement requises pour identifier les véritables exoplanètes. Ce mémoire présente les résultats du suivi photométrique de neuf candidates exoplanètes identifiées par TESS à l’Observatoire du Mont-Mégantic avec la caméra Planètes Extra-Solaires en Transit et Occultations (PESTO). Une routine d’ajustement de courbe de transit développée durant cette maîtrise procure une estimation de certains paramètres physiques (rayons, demi-grand axe et inclinaison) des candidates. Parmi celles-ci, TOI 1452.01 ressort du lot, car cette probable exoplanète d’environ deux rayons terrestres orbite dans la zone habitable de son hôte naine rouge, c’est-à-dire à une distance permettant la présence d’eau liquide à sa surface. / The majority of the exoplanets known to date have been discovered using the transit method, which indirectly infers the existence of such objects by measuring a temporary and repeated drop in the brightness of a star when, for the right alignement, an exoplanet passes in front of it. The search for biosignatures, thus life, in an exoplanet atmosphere is now the main objective in this field of study, and for several reasons, planets with a radius less than approximately two Earth radii around red dwarfs are particularly targeted. With the goal of finding more such systems in the solar neighbourhood and in all regions of the sky, the Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) was launched in April 2018. The large image sampling of 21'' per pixel of the cameras on board TESS often results in data contamination of stars showing promising transit signal, by the flux of nearby stars. If one of these contaminating sources happens to be an eclipsing binary, an astrophysical phenomenon able to mimic a transit, the detection is most likely a false positive event. Thus, follow-up observations in photometry and in spectroscopy are generally required to identify the genuine exoplanets. This thesis presents the results of a photometric monitoring campaign at the Observatoire du Mont-Mégantic with the Planètes Extra-Solaires en Transit et Occultations (PESTO) camera of nine exoplanet candidates identified by TESS. A transit curve fitting routine developed during this master’s provides an estimation for certain physical parameters (radius, semi-major axis and inclination) of these candidates. Among them, TOI 1452.01 stands out, because this probable exoplanet has an estimated radius close to two Earth radii, in addition to being located within the habitable zone of its red dwarf host, i.e. at a distance allowing the presence of liquid water on its surface.

Les Jupiters chaudes sont des exoplanètes possédant des caractéristiques uniques. En raison de leur proximité avec leur étoile hôte elles présentent une non-symétrie remarquable. Cette proximité provoquant la rotation synchrone force un côté de la planète à toujours faire face à l'étoile et l'autre à être plongé dans une nuit perpétuelle. Cette géométrie donne lieu à une différence d'allant de 200 K jusqu'à 2000 K entre les deux côtés de la planète, engendrant des écoulements zonaux pouvant atteindre des vitesses de l'ordre du km/s afin de redistribuer la chaleur. Le point chaud, le point le plus chaud de la planète, est un témoin de ces vents intenses. Les observations et les simulations hydrodynamiques montrent que les écoulements zonaux se font d'ouest en est. Cependant, les observations de deux planètes ne se conforment pas aux prédictions. En effet, CoRoT-2 b et HAT-P-7 b montrent des points chauds à l'ouest. L'explication la plus répandue est que le champ magnétique de ces planètes, en interaction avec leur atmosphère partiellement ionisée, peut renverser la direction des écoulements zonaux, si ce champ est assez puissant. Une diffusivité magnétique variable dans l'espace peut générer localement des champs magnétiques lorsque son gradient s'aligne correctement avec le courant électrique. Nous présentons ici un modèle magnétohydrodynamique en une dimension possédant une diffusivité magnétique dépendante de la température dans le plan équatorial dans le contexte de Jupiters chaudes. Les résultats des simulations présentent des oscillations torsionnelles de type alfvéniques reflétant les effets non linéaires dus au couplage des équations aux dérivées partielles de la magnétohydrodynamique et de la température avec la diffusivité magnétique dépendante de la température. Nous explorons un espace des paramètres afin d'établir l'influence de ceux-ci sur les oscillations. Nous avons aussi développé un modèle local afin de dériver des équations analytiques nous permettant de mieux comprendre les résultats observés en plus de comparer les résultats du modèle en une dimension avec ceux du modèle local. Nous finissons par établir que les oscillations générées par notre modèle en une dimension possèdent des périodes équivalentes allant de 225 à 473 jours et des déplacements longitudinaux équivalant à quelques degrés jusqu'à environ 40° pour une planète de la taille de Jupiter. Ces intervalles de périodes et de déplacements sont encourageants, puisque cela signifie que les oscillations pourraient être observées. / Hot Jupiters are exoplanets with unique features. Due to their proximity to their host stars, they show remarkable non-symmetry. This proximity with the star causes tidal locking, meaning one side of the planet is always exposed to intense radiation from its host and the other side is immersed in a perpetual night. This geometry means there is a difference of temperature ranging from 200 K up to 2000 K between the day and night side. This gradient in temperature induces zonal winds that can reach the order of 1 km/s to redistribute heat to the night side. The hot spot is the hottest spot of the planet and is a telltale of these strong winds. Observations and hydrodynamic numerical simulations show that zonal winds on these planets go eastward. However, two recent observations are showing westward winds. These planets are CoRoT-2 b and HAT-P-7 b. The most common explanation to this contradiction is that the magnetic field, which is interacting with the partially ionized atmosphere, can reverse these winds. It was previously shown that a magnetic diffusivity varying in space can locally generate magnetic fields when its gradient aligns correctly with the electric current density. We present here a one-dimensional magnetohydrodynamic model with a temperature-dependent magnetic diffusivity in the equatorial plane in the context of hot Jupiters. The simulations develop growing torsional alfvénic oscillations due to the non-linear coupling of the magnetohydrodynamics and the temperature partial differential equations and the temperature-dependent magnetic diffusivity. We explore the parameter space and study their influence on the oscillations. We have also developed a local model in order to derive analytical equations characterizing these waves and compare its results with the results of the one-dimensional model. We end by calculating the corresponding periods and longitudinal displacement of the one-dimension model oscillations for a Jupiter-sized planet. The periods correspond to an interval from 225 to 473 days and the displacements range from a few degrees up to 40°. This means that the oscillations could be observed with a few orbits.

Ce mémoire présente une analyse de données photométriques d’étoiles de type Wolf-Rayet ayant pour objectif de caractériser les causes de la variabilité stochastique à court terme omniprésente chez ces étoiles, ainsi que la variabilité périodique due aux éclipses atmosphériques dans deux systèmes particuliers. À l’aide de données de la mission spatiale BRITE, les éclipses initialement supposées atmosphériques des systèmes WR22 et WR48 ont été investiguées avec un modèle analytique, suivi d’une modélisation numérique de l’éclipse pour WR22. Le taux de perte de masse de l’étoile Wolf-Rayet, la profondeur optique du vent et l’angle d’inclinaison du système ont été déterminés avec précision pour WR22, tandis que des valeurs-plafonds pour ces paramètres ont été obtenues avec un angle i tiré de la littérature pour WR48. L’étude de la variabilité stochastique dans le vent de 55 étoiles Wolf-Rayet galactiques a été conduite en utilisant 70 séries temporelles obtenues avec les satellites MOST, BRITE-Constellation et TESS. L’application d’un modèle semi-Lorentzien aux périodogrammes des observations a permis d’obtenir des paramètres caractéristiques : l’amplitude typique, la fréquence caractéristique et le taux d’augmentation de l’amplitude de variabilité. Des comparaisons entre les paramètres obtenus et ceux de la littérature nous ont permis de contextualiser le rôle de divers processus physiques dans l’origine de la variabilité, tel l’instabilité du processus d’entraînement du vent, d’une zone de convection subsurfacique engendrée par l’ionisation partielle des éléments du groupe du fer, ainsi qu’une possible contribution d’ondes de gravité générées à l’interface du coeur convectif et de la zone radiative. / We present an analysis of photometric observations of Wolf-Rayet stars in an effort to characterize their ubiquitous short-term stochastic variability and the origin of the periodic variability due to atmospheric eclipses in two specific systems. With data from BRITE-Constellation, we investigated what we initially thought to be atmospheric eclipses in the WR22 and WR48 systems. Both stars’ datasets were first analyzed using an analytical atmospheric eclipse model, and then a fully numerical core and wind eclipse model was used to better characterize the ambiguous case of WR22. The mass-loss rate of the Wolf-Rayet component, the optical depth of the wind and the inclination angle of the system were accurately determined for WR22, whereas for WR48 an upper limit was found for those parameters using an inclination angle from the litterature. The study of the short-term stochastic variability in the winds of 55 Wolf-Rayet stars was obtained with 70 time-series produced by MOST, BRITE and TESS. The amplitude spectra of these stars were analyzed using a semi-Lorentzian function that allowed us to extract characteristic parameters. Comparisons between the values we obtained and those from the litterature were carried out and we discuss the possible contribution to the variability of various physical processes, namely the line de-shadowing instability, the presence of a subsurface iron-group driven convection zone and possibly of internal gravitational waves generated at the boundary between the convective core and the radiative layer to the observed variability.

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Les lentilles gravitationnelles de type galaxie-galaxie se produisent lorsque la lumière d'une galaxie en arrière-plan est déviée par le champ gravitationnel d'une galaxie en avant-plan, formant des images multiples ou même des anneaux d'Einstein selon le point de vue d'un observateur sur Terre. Ces phénomènes permettent non seulement d'étudier les galaxies lointaines, magnifiées par la galaxie-lentille, mais aussi de comprendre la distribution de masse de la galaxie-lentille et de son environnement, une opportunité unique pour sonder la matière noire contenue dans ces galaxies. Or, les méthodes traditionnelles pour analyser ces systèmes requièrent une quantité significative de temps ordinateur (de quelques heures à quelques jours), sans compter le temps des experts pour faire converger les analyses MCMC requises pour obtenir les paramètres d'intérêts. Ce problème est significatif, considérant qu'il est projeté que les grands relevés du ciel comme ceux qui seront menés aux observatoires Rubin et Euclid découvrirons plusieurs centaines de milliers de lentilles gravitationnelles. De plus, le Télescope géant européen (ELT), faisant usage de la technologie d'optique adaptative, et le télescope spatial James Webb, vont nous offrir une vue sans précédent de ces systèmes, avec un pouvoir de résolution qui rendra possible certaines analyses comme la recherche de halo de matière noire froide, longtemps prédite par le modèle cosmologique standard $\Lambda$CDM. Les approximations traditionnelles faites pour simplifier la reconstruction des lentilles gravitationnelles ne seront plus valides dans ce régime. Dans ce mémoire, je présente un travail qui s'attaque à ces deux problèmes. Je présente une méthode d'optimisation basée sur les machines à inférence récurentielle pour reconstruire deux images, soit celle d'une galaxie en arrière-plan et une image pour la distribution de masse de la galaxie en avant-plan. La représentation paramétrique choisie a le potentiel de reconstruire une classe très large de lentilles gravitationnelles, incluant des halos et sous-halos de matière noire, ce qu'on démontre dans ce travail en utilisant des profiles de densité réalistes provenant de la simulation cosmologique hydrodynamique IllustrisTNG. Nos reconstructions atteignent un niveau de réalisme jamais atteint auparavant et s'exécutent sur une fraction du temps requis pour exécuter une analyse traditionnelle, soit un pas significatif vers une méthode pouvant adresser le défi d'analyser autant de systèmes complexes et variés en un temps à l'échelle humaine. / Galaxy-Galaxy gravitational lenses is a phenomenon that happens when the light coming from a background galaxy is bent by the gravitational field of a foreground galaxy, producing multiple images or even Einstein ring images of the background source from the point of view of an observer on Earth. These phenomena allow us to study in detail the morphology of the background galaxy, magnified by the lens, but also study the mass density distribution of the lens and its environment, thus offering a unique probe of dark matter in lensing galaxies. Traditional methods studying these systems often need significant compute time (from hours to days), and this is without taking into account the time spent by experts to make the MCMC chains required to obtain parameters of interest converge. This problem is significant, considering that large surveys from observatories like Rubin and Euclid are projected to discover hundreds of thousands of gravitational lenses. Moreover, the Extremely Large Telescope (ELT), using adaptive optics, and the James Webb Space Telescope will offer an unprecedented glimpse of these systems, with a resolving power predicted to enable searches for cold dark matter subhalos — objects long predicted by the standard cosmological model CDM. Approximations used to make analysis tractable in traditional methods will no longer be valid in that regime. In this thesis, I present a method that aims to address these two issues. The method, based on Recurrent Inference Machines (RIM), reconstructs two pixelated maps, one for the background source and another for the mass density map of the foreground lensing galaxy. This free-form parametric representation has the potential to reconstruct a large class of gravitational lenses, including those with dark matter halos and subhalos, which we demonstrate using realistic mass density profiles from the cosmological hydrodynamic simulation IllustrisTNG. Our method can achieve an unmatched level of realism in a fraction of the time required by traditional methods, which is a significant step toward solving the challenge of studying such a large number of complex and varied systems in a human timescale.

Ce mémoire présente une analyse spectro-photométrique de 2880 naines blanches situées dans un rayon de 100 pc du Soleil, plus froides que Teff ∼ 10,000 K, et possédant de la photométrie grizy de Pan-STARRS et une mesure de parallaxe trigonométrique de Gaia. Les données photométriques JHK dans le proche infrarouge sont également incluses, lorsque disponibles, et s’avèrent essentielles pour l’interprétation des naines blanches les plus froides de l’échantillon. Une analyse détaillée de chaque objet individuel est effectuée en utilisant des modèles d’atmosphère de pointe appropriés pour chaque type spectral, y compris les DA, DC, DQ, DZ, les DA riches en hélium, et les naines blanches dites faibles dans l’infrarouge (IR-faint). Les distributions en température et en masse de chaque sous-échantillon sont discutées, ainsi que l’évolution spectrale des naines blanches froides. L’échantillon présente peu d’évidence quant à la transformation des étoiles DA en naines blanches avec une atmosphère riche en hélium par le processus de mélange convectif entre Teff = 10,000 K et ∼6500 K. Cependant, cette tendance change radicalement dans les environs de Teff = 6500–5500 K où la fraction de naines blanches avec une atmosphère riche en hélium atteint ∼45%. Pour les étoiles plus froides (Teff ≲ 5200 K), les résultats indiquent que la majorité des DC ont une atmosphère dominée par l’hydrogène. Un mécanisme possible impliquant la cristallisation et le magnétisme est proposé afin d’expliquer cette transformation soudaine d’une atmosphère riche en hélium en une atmosphère riche en hydrogène. Finalement, cette analyse montre que les naines blanches de type DQ, DZ et DC pourraient former une population plus homogène qu’on ne le pensait auparavant. / This work presents a spectro-photometric analysis of 2880 cool white dwarfs within 100 pc of the Sun and cooler than Teff ∼ 10,000 K, with grizy Pan-STARRS photometry and Gaia trigonometric parallaxes available. The data sets are also supplemented with near-infrared JHK photometry, when available, which is shown to be essential for interpreting the coolest white dwarfs in the sample. A detailed analysis of each individual object is performed using state-of-the-art model atmospheres appropriate for each spectral type including DA, DC, DQ, DZ, He-rich DA, and the so-called IR-faint white dwarfs. The temperature and mass distributions of each subsample are discussed, as well as the spectral evolution of cool white dwarfs. The sample shows little evidence for the transformation of a significant fraction of DA stars into He-atmosphere white dwarfs through the process of convective mixing between Teff = 10,000 K and ∼6500 K, although the situation changes drastically in the range Teff = 6500–5500 K where the fraction of He-atmosphere white dwarfs reaches ∼45%. However, there is strong evidence that at even cooler temperatures (Teff ≲ 5200 K), most DC white dwarfs have H atmospheres. A possible mechanism to account for this sudden transformation from He- to H-atmosphere white dwarfs involving the onset of crystallization and the occurrence of magnetism is presented. Finally, the results drawn from this work have shown that DQ, DZ, and DC white dwarfs may form a more homogeneous population than previously believed.

Le European Extremely Large Telescope présentement en construction au Chili, sera le plus grand télescope optique jamais construit, avec son miroir primaire de 39 mètres de diamètre. Un de ses instruments, ANDES (ArmazoNes high Dispersion Echelle Spectrograph), combinera l’optique adaptative et la spectroscopie à haute dispersion dans les bandes photométriques YJH pour permettre notamment l’étude de la composition chimique d’atmosphères d’exoplanètes potentiellement habitables. La détection de la vie sur une exoplanète candidate commence nécessairement par l’étude de son atmosphère, et spécifiquement sa composition chimique. Celle-ci peut en effet révéler la présence de biosignatures, c’est-à-dire la signature spectrale de molécules qui ne pourraient exister sans la présence de la vie. Une paire de molécules particulièrement intéressante est la paire dioxygène (O2) et méthane (CH4), soient deux molécules qui peuvent être créées par des processus biotiques, mais qui, laissées à elles-mêmes, réagissent ensemble dans l’atmosphère pour générer de l’eau (H2O) et du dioxyde de carbone (CO2) jusqu’à la déplétion de l’une des deux (Thompson et al., 2022). La présence simultanée d’O2 et de CH4 nécessite donc des réactions chimiques hors équilibre comme celles associées avec l’activité biologique. ANDES sera équipé de tous les modules théoriquement nécessaires pour détecter la lumière réfléchie d'une exoplanète, incluant une interface d'optique adaptative qui minimise la lumière parasite de l'exoplanète localisée tout près du coeur de l'étoile, une unité de champ intégral permettant de disséquer l'image de l'étoile en des dizaines de spaxels, chacun alimentant un spectrographe infrarouge à haute dispersion. Des techniques statistiques bayesiennes sont ensuite utilisées pour détecter le signal atmosphérique de l'exoplanète enfoui dans le spectre de l'étoile. Ce travail décrit des simulations détaillées de tous ces modules afin de déterminer les capacités d’ANDES à détecter l’atmosphère d’exoplanètes potentiellement habitables, notamment Proxima b, la plus rapprochée du Système Solaire. Les simulations révèlent que si Proxima b a une atmosphère identique à celle de la Terre, l’eau y serait détectable en moins d'une nuit (6 heures), alors que les détections d’O2, de CO2 et de CH4 nécessiteraient jusqu’à 320, 420 et 1200 heures d’observation, respectivement. / The European Extremely Large Telescope, currently under construction in Chile, will be the largest telescope ever built, with its primary mirror measuring 39 meters in diameter. One of its instruments, ANDES (ArmazoNes high Dispersion Echelle Spectrograph), will combine adaptive optics and high dispersion dpectroscopy in the Y JH photometric bands. This combination will allow the study of the chemical composition of atmospheres of potentially habitable exoplanets. The search for life on a candidate exoplanet necessitates the study of its atmosphere, specically its chemical composition. This can reveal the presence of biosignatures, i.e the spectral signature of molecules that cannot exist without life. One inriguing pair of molecules is dioxygen (O2) and methane (CH4). Both can be created through biotic processes, but left to themselves, they form water (H2O) and carbon dioxide (CO2) until one of the two is depleted. The simultaneous presence of O2 and CH4 requires out-of-equilibrium chemical reactions, such as those associated with biological activity. ANDES will be equipped with all the crucial modules to detect the reflected light from an exoplanet. It includes an adaptive optics front-end interface that minimizes the stray light from the exoplanet located very close to the star’s core, an integrated field unit that dissects the star’s image into dozens of spaxels, each feeding a high-dispersion infrared spectrograph. Bayesian statistics are then used to detect the exoplanet’s atmospheric signal buried within the star’s spectrum This work describes detailed simulations of all these modules to determine ANDES’ ca- pabilities in detecting the atmosphere of potentially habitable exoplanets, notably Proxima b, the closest to the Solar System. The simulations reveal that if Proxima b has an atmo- sphere similar to Earth’s, water could be detectable in less than one night (6 hours), while detections of O2, CO2 and CH4 could require up to 320, 420 and 1200 hours of observations, respectively.

Les amas de galaxies sont les plus grandes structures gravitationnellement liées de l'Univers. Ils sont communément séparés en trois catégories, basées sur la distribution du gaz intra-amas. Ce gaz peut être très concentré vers le centre de l'amas, il peut être réparti dans l'amas de manière plutôt uniforme, ou encore il peut avoir une distribution légèrement piquée vers le centre dans un cas intermédiaire. Une autre distinction entre les trois catégories est l'interaction entre le trou noir supermassif se trouvant au centre de l'amas de galaxies et le gaz intra-amas environnant. Dans le cas de la première catégorie, lorsque le gaz est concentré au centre de l'amas, le trou noir est dit "actif". Il produit alors des jets, qui à leur tour injectent de l'énergie dans le gaz intra-amas sous forme d'ondes sonores, d'ondes de choc et de turbulence. Les amas de galaxies offrent donc une opportunité très intéressante pour étudier ce mécanisme d'échange d'énergie. Afin de mieux caractériser ces processus, il est essentiel d'avoir des méthodes robustes pour classifier les amas de galaxies selon les trois catégories. Il existe plusieurs propriétés pouvant être utilisées comme métriques de classification, mais celles-ci ne sont pas toujours en accord les unes avec les autres. Ces propriétés ont été étudiées pour des petits échantillons d'amas de galaxies, analysés de manière individuelle avec des méthodes traditionnelles. Cependant, avec le développement de puissants instruments d'observation tels que eROSITA, on s'attend à obtenir des échantillons contenant environ 100 000 amas de galaxies. Étant donné la taille de ces ensemble de données, il devient nécessaire d'avoir un moyen rapide, efficace et automatique pour les traiter. On a donc recours à l'apprentissage automatique pour accélérer l'analyse. Ce mémoire présente une analyse des propriétés du gaz intra-amas avec des méthodes d'apprentissage automatique. On se sert des simulations cosmologiques IllustrisTNG pour obtenir des images en rayons X d'amas de galaxies, à partir desquelles on construit notre ensemble de données. On s'intéresse à cinq propriétés du gaz intra-amas contenu dans les amas de galaxies, qui sont couramment utilisées comme métriques de classification: le temps de refroidissement central, la densité électronique centrale, l'excès d'entropie centrale, le paramètre de concentration de la brillance de surface et le paramètre de courbure du profil de densité. On explore les relations entre ces différentes métriques, puis on implémente un réseau de neurones qui vise à prédire leur valeur à partir d'une image en rayons X d'un amas de galaxies. Notre réseau atteint une pourcentage d'erreur moyen de 1.8% pour les prédictions de la métrique la plus performante, c'est-à-dire le temps de refroidissement central. Ensuite, afin d'estimer les incertitudes sur les résultats obtenus, on effectue une analyse probabiliste de nos prédictions à l'aide de la méthode de l'inférence sans vraisemblance. On utilise également une méthode de partitionnement de données qui rassemble les images en rayons-X en trois groupes distincts; on constate que ce regroupement corrèle fortement avec la division des mêmes images en utilisant le paramètre de concentration comme métrique de classification. L'ensemble de ce travail permet de conclure que le temps de refroidissement central et la concentration sont les métriques se prêtant le mieux à une analyse avec des méthodes d'apprentissage automatique, ainsi que de mettre en place les outils qui serviront à caractériser les futurs échantillons d'amas de galaxies. / Galaxy clusters are the largest gravitationally bound structures of the universe. They are commonly divided into three categories, based on the distribution of the intracluster gas. In one case, the gas is strongly concentrated towards the center of the cluster. In another case, it is rather uniformly dispersed through the cluster. In a third intermediate case, the distribution is slightly peaked towards the center. The three categories also differ by the interaction between the gas and the supermassive black hole located at the center of the cluster. In the first category, the black hole is said to be 'active' and it produces jets that heat up the intracluster gas through shock waves, sound waves and turbulence. The feedback mechanism from the black hole is not entirely understood, and galaxy clusters offer a valuable opportunity to study this energy transfer mechanism in more detail. Numerous properties can serve as classification metrics, but they are not always consistent with one another. Moreover, traditional methods used to extract those properties are time-consuming and have only been applied to small samples. With the advent of powerful X-ray observatories such as eROSITA, we expect to obtain large galaxy clusters datasets (~100 000). Given the size of the datasets and the number of parameters to consider, machine learning methods are needed to accelerate the data processing. This thesis presents an analysis of intracluster gas properties with machine learning techniques. We use the galaxy clusters from the IllustrisTNG cosmological simulations to create the X-ray images that make up our dataset. We study five properties of the hot gas in galaxy clusters that are commonly used as classification metrics; the central cooling time, the central electron density, the central entropy excess, the concentration of the surface brightness and the cuspiness parameter, which represents the slope of the density profile. We explore the correlations between the different metrics, and implement a neural network that predicts their values from an X-ray image of a galaxy cluster. The network achieves a mean percentage error of 1.8% on the central cooling time predictions, making it the best-performing metric. In order to get uncertainty estimates, we perform a probabilistic analysis of the network predictions using simulation-based inference. We also use a clustering approach that groups the X-ray images into three separate groups; we note that those groups are consistent with classification based on the concentration parameter. Our results show that the central cooling time and the concentration are the metrics that lend themselves the best to a machine learning analysis of galaxy cluster images. This project aims to lay the groundwork for characterizing future galaxy cluster observations.

Le "modèle standard" actuel de la cosmologie est celui de ΛCDM, décrivant un Univers en expansion accélérée ainsi qu’une structure de matière sombre froide formée en halos, sur lesquels s’assemblent les galaxies. Malgré les nombreuses confirmations observationnelles de ses prédictions, il existe d’importantes tensions entre les mesures de la distribution de structure sombre aux petites échelles de l’Univers et ce qui serait attendu de ΛCDM. Cependant, ces halos légers de matière sombre, qui sont prédit d’abonder à travers le cosmos, n’hébergent pas de galaxies lumineuses et sont donc très difficiles à observer directement. Leur présence peut toutefois être détectée dans les lentilles gravitationnelles fortes de type galaxie-galaxie, un phénomène se produisant lorsque la lumière d’une galaxie d’arrière-plan est fortement déviée par le champ gravitationnel d’une galaxie d’avantplan, formant des images multiples et des arcs étendus. Les halos distribués en ligne de visée de tels systèmes, ainsi que ceux imbriqués dans la galaxie lentille, peuvent causer des perturbations gravitationnelles dans les images de galaxies lentillées. La détection de ces effets infimes dans des observations de lentilles gravitationnelles est faite par des méthodes statistiques Bayésiennes, qui nécéssitent des centaines de milliers de simulations de la contribution de ces perturbateurs à la déflexion de la lumière. Traditionnellement, la modélisation du lentillage par les halos en ligne de visée s’est faite avec le formalisme du lentillage à plans multiples, qui souffre d’une nature récursive peu efficace. De plus, il est prédit par le modèle ΛCDM que la majorité des systèmes de lentilles gravitationnelles comporteraient davantage de halos en ligne de visée que de sous-halos imbriqués dans la galaxie lentille, motivant une modélisation détaillée des effets de ligne de visée. Dans un contexte d’analyse Bayésienne, l’approche du lentillage à plans multiples représente une échelle de temps de plusieurs jours pour l’analyse d’un seul système. En considérant que des grands relevés du ciel comme ceux de l’Observatoire Vera Rubin et du télescope spatial Euclid sont projetés de découvrir des centaines de milliers de lentilles gravitationnelles, l’effort de contraindre la distribution de matière sombre aux petites échelles se voit confronté à ce qui pourrait être un insurmontable problème de temps de calcul. Dans ce mémoire, je présente le développement d’un nouveau formalisme de modélisation du lentillage gravitationnel par halos en ligne de visée accéléré par des réseaux de neurones, motivé par les lacunes du lentillage à plans multiples et l’importance scientifique de la modélisation de ces effets. Les architectures de ces réseaux, conçues dans le cadre de ce travail, sont basées sur le mécanisme d’attention, et peuvent être conditionnées sur des ensembles de modèles de halos en ligne de visée afin de produire les angles de déflexion leur étant associés. Ce formalisme offre la flexibilité requise pour remplacer celui du lentillage à plans multiples, laissant à l’usager la liberté de spécifier un modèle de lentille principale et étant compatible avec des grilles de pixels de taille quelconque. Notre formalisme permet d’accélérer la modélisation du lentillage de ligne de visée par presque deux ordres de grandeur lorsque comparé au lentillage à plans multiples, et promet d’atteindre une exactitude lui étant comparable dans des développements futurs. Il s’agit d’une contribution significative à l’étude de la matière sombre aux petites échelles, qui permettra soit de réconcilier ΛCDM et les observations, ou mènera à l’adoption d’un modèle cosmologique alternatif. / The current "standard model" of cosmology is that of ΛCDM, describing a Universe undergoing accelerated expansion with a structure of cold dark matter formed into halos, onto which are assembled galaxies. Despite the numerous observational confirmations of its predictions, there remains some important tensions between measures of the distribution of dark structure on small scales of the Universe and what would be expected from ΛCDM. However, these light dark matter halos, predicted to be adundant throughout the cosmos, are not hosts of luminous galaxies and are therefore very difficult to observe directly. Yet, their presence can still be detected in galaxy-galaxy type strong gravitational lenses, a phenomenon occuring when the light of a background galaxy is strongly deflected by the gravitational field of a foreground galaxy, forming multiple images and extended arcs. Halos distributed along the line-of-sight of such systems, as well as those nested within the lens galaxy, can introduce gravitational perturbations in images of lensed galaxies. The detection of such infinitesimal effects in strong lensing observations is made with methods relying on Bayesian statistics, which require hundreds of thousands of simulations of the contribution of these perturbers to the deflection of light. Traditionally, modeling the lensing from line-of-sight halos has been done with the multi-plane lensing framework, which suffers from its inefficient recursive nature. Morevoer, the ΛCDM model predicts that most gravitational lens systems would host a larger amount of line-of-sight halos than subhalos nested within the lens galaxy, motivating a detailed modeling of line-of-sight effects. In a Bayesian analysis context, the multi-plane lensing approach represents a timescale of multiple days for the analysis of a single system. Considering that large sky surveys such as those of the Vera Rubin Observatory and the Euclid space telescope are projected to discover hundreds of thousands of gravitational lenses, the effort of constraining the small-scale distribution of dark matter is confronted to what might seem like an insurmountable problem of computation time. In this thesis, I present the development of a new neural-network-accelerated framework for modeling the gravitational lensing by line-of-sight halos, motivated by the shortcomings of multiplane lensing and the scientific importance of modeling these effects. The architectures of these networks, conceived as part of this work, are based on the attention mechanism, and can be conditioned on sets of line-of-sight halo models in order to produce their associated deflection angles. This framework offers the flexibility required to replace that of multi-plane lensing, leaving up to the user the freedom to specify a main lens model and being compatible with pixel grids of any size. Our framework allows to accelerate the modeling of line-of-sight lensing by nearly two orders of magnitude relative to multi-plane lensing, and promises to reach a comparable accuracy in future developments. This constitutes a significative contribution to the study of dark matter on small scales, which will either lead to the reconciliation of ΛCDM and observations, or the adoption of an alternate cosmological model.

Les naines brunes sont définies comme des objets généralement plus massifs que les planètes géantes, mais qui demeurent moins massifs que les plus petites étoiles. Étant incapables de fusionner de l’hydrogène en hélium comme les étoiles de la séquence principale en raison de leur faible masse, les naines brunes rayonnent seulement leur chaleur initiale de formation et se refroidissent continuellement au fil du temps. Cette perpétuelle diminution en luminosité introduit une dégénérescence entre leurs propriétés physiques, car il devient impossible de distinguer par sa seule luminosité une jeune naine brune massive de celle d’une vielle naine brune moins massive. Une modélisation atmosphérique et évolutive devient donc nécessaire pour contraindre les propriétés physiques (masse, rayon, âge, température effective, métallicité) des naines brunes sans compagnons, où seulement la luminosité peut être mesurée directement. Le flux émergeant de ces modèles semble bien reproduire ceux des naines brunes observées jusqu’à présent. Cependant, les paramètres physiques qu’ils prédisent demeurent sans calibration empirique, car il n’existe pas suffisamment de mesures indépendantes de ces paramètres venant de naines brunes observées qui permettrait de vérifier les prédictions des modèles. L’étude de naines brunes binaires éclipsant une étoile ouvre la possibilité de prendre des mesures directes de ses caractéristiques physiques via des analyses de vitesses radiales, de transits et d’éclipses secondaires, le tout de manière indépendante des modèles. Ce mémoire porte sur l’étude d’une naine brune binaire éclipsante découverte en 2011 via photométrie de transit par le télescope Kepler: LHS 6343 C. Des observations de transit (Kepler) en plus d’observations de vitesses radiales (Keck/HIRES) et d’éclipses secondaires (Kepler, HST, Spitzer) permettent la mesure directe de tous ses paramètres physiques importants sauf l’âge. Ce mémoire apporte une première analyse des données d’éclipse secondaire HST pour obtenir un spectre d’émission de la naine brune dans la bande passante WFC3-G141 (1.1 à 1.7 µm), permettant d’identifier un type spectrale de T1.5. De plus, ce mémoire met à jour la masse et le rayon de LHS 6343 C en utilisant une distance Gaia DR3 et des relations stellaires empiriques. Ce nouvel ensemble de paramètres est ensuite comparé à ceux prédits par des modèles atmosphériques, où l’on trouve que ceux en déséquilibre chimique reproduisent mieux les données comparés à ceux en équilibre chimique. Finalement, des modèles d’évolution sont utilisés pour déterminer l’âge de la naine brune. / Brown dwarfs are defined as substellar objects that are generally more massive than giant planets, but which remain less massive than the smallest stars. Being unable to fuse hydrogen into helium like main-sequence stars due to their low mass, brown dwarfs do not have access to a long-term energy source. They therefore radiate only their initial heat of formation and cool continuously over time. This perpetual decrease in luminosity introduces a degeneracy between their physical properties, making it impossible to distinguish a young massive brown dwarf from an older less massive one based on their luminosity and spectra alone. Therefore, atmospheric and evolutionary modelling becomes necessary to obtain other properties (e.g. mass, radius, age, effective temperature) of field brown dwarfs, since only their luminosity can be measured directly. Fortunately, the luminosities and spectra of the best models reproduce observations well. However, the physical parameters they predict (i.e. mass, radius, effective temperature, metallicity) lack an empirical calibration; i.e. there are not enough independent measurements of these parameters to meaningfully confirm the predictive power of models. One of the scenarios allowing the direct measurement of several physical characteristics is provided by brown dwarf eclipsing binaries (BDEB), i.e. a brown dwarf orbiting a star. With radial velocity, transit, and secondary eclipse analyses, all but the age of a BDEB can be determined independently of models. This thesis pertains to the study of a minimally irradiated BDEB, LHS 6343 C, discovered in 2011 via transit photometry by the Kepler telescope. Since its discovery, a greater amount of transit (Kepler) observations in addition to radial velocity (Keck/HIRES) and secondary eclipse (Kepler, HST, Spitzer) observations allow for everything but an age measurement to be obtained. This thesis provides a first analysis of the HST secondary eclipse data to obtain a brown dwarf emission spectrum in the WFC3-G141 filter (1.1 to 1.7 µm), identifying it as a T1.5 dwarf. In addition, this thesis updates the physical parameters of previous studies using a Gaia DR3 distance and empirical stellar relations. This new set of parameters is then compared to those predicted by atmospheric models, where those in chemical nonequilibrium reproduce the observed flux better than chemical equilibrium or cloud models. Finally, evolutionary models are used to determine the age of the brown dwarf.