L’émergence de la complexité, et de la vie en particulier, demeure l’une des énigmes les plus complexes pour la science moderne. Des travaux récents ont souligné la pertinence d’un apport de la physique statistique et de la théorie des phénomènes critiques — et en particulier de la théorie des phénomènes à criticalité auto-régulée — relativement à ces champs d’intérêt, tout autant que du rôle des phénomènes de coopération biochimique dans les premiers instants du vivant. La description des mécanismes par lesquels la vie a pu apparaître est par ailleurs d’un intérêt pratique pour l’astrophysique, puisque notre compréhension de ceux-ci module la manière dont l’analyse de biosignatures s’effectue dans le cadre de la recherche de la vie ailleurs dans l’Univers. L’analyse proposée ici porte sur un modèle en théorie des jeux permettant d’étudier les phénomènes de coopération implémenté dans un contexte spatial servant à émuler la dynamique d’un système ayant pu voir apparaître la vie. Une analyse de l’espace des paramètres du modèle révèle que celui-ci affiche des phénomènes de transition de phase et d’auto-organisation de structures spatiales, ces éléments se révélant des adjuvants à l’émergence de la coopération entre joueurs a priori égoïstes, dans un contexte qui à prime abord n’est pas d’emblée favorable à l’apparition de comportements coopératifs. Les résultats obtenus ici semblent supporter que la coopération biochimique puisse apparaître via un phénomène de transition de phase et que le modèle sous-jacent de dilemme du prisonnier itéré sur réseau présenté ici agit comme un système à criticalité autorégulée. / The emergence of complexity, and of life more specifically, is still one of the most intractable conundrums for modern science. Recent work emphasized the relevance of statistical physics and critical phenomena theory’s contribution to those questions — especially of self-organized criticality theory — just as much as the role of biochemical cooperation in life’s first moments. Moreover, the description of the mechanisms by which life could have appeared is of particular interest for astrophysics, because our comprehension of those mechanisms influences how biosignatures are analyzed in the context of the search for life elsewhere in the Universe. The analysis presented here concerns a model in game theory that allows to study cooperation phenomena — implemented in spatial context as to emulate the dynamics of a system in which life could have appeared. An analysis of the model’s parameter space reveals that it displays phase transition and self-organization of spatial structures phenomenon, those elements being adjuvants to the emergence of cooperation between a priori egoist players, in a context that is initially not favorable to the emergence of cooperative behavior. The results obtained here thus seem to support the idea that both biochemical cooperation can emerge through phase transition phenomena, and that the underlying lattice iterated prisoner’s dilemma model used here behaves like a self-organized critical system.

Ce mémoire porte sur l'étude des étoiles naines blanches de type DB, dont le spectre est dominé par les raies d’hélium neutre. Des travaux récents ont révélé que les paramètres physiques mesurés à l'aide de la méthode dite spectroscopique —notamment la température effective et la masse de l'étoile — posaient problème pour ce type de naine blanche. Nous avons dans cette étude réexaminé un des ingrédients essentiels de cette méthode, soit le calcul de profils d'élargissement Stark des raies d'hélium neutre. Ce problème fut abordé il y a 25 ans par notre groupe de recherche en utilisant la théorie standard de l'élargissement Stark. Les profils semi-analytiques calculés dans le cadre de cette théorie considèrent les électrons comme étant dynamiques et les ions statiques. Avec l'amélioration de la puissance numérique des ordinateurs, d’autres groupes de recherche ont grandement amélioré le traitement de l'élargissement Stark en produisant des simulations numériques décrivant en détail la dynamique et les interactions des perturbateurs (ions et électrons) près de l'émetteur (l'atome d'hélium dans notre cas). Ils n'ont cependant généré de tables de profils Stark, applicables au calcul de spectres synthétiques d'étoiles naines blanches, que pour deux raies de l'atome d'hélium. Dans ce mémoire, nous décrivons la conception de notre propre environnement de simulation incluant certains aspects importants considérés dans les travaux précédents (unification du traitement des ions et électrons, correction pour la dynamique des ions, transition de la contribution des électrons à l'élargissement, du coeur aux ailes du profil, intégration numérique de l'opérateur quantique d'évolution temporelle de l'hélium perturbé par un champ électrique fluctuant, correction de Debye pour la corrélation du mouvement des perturbateurs chargés, variation de densité locale et réinjection de particules) afin de mieux représenter l'environnement dynamique de l'atome d'hélium. Des étapes intermédiaires, comme la construction de l'espace de simulation et le modèle quasi-statique, nous ont permis de valider cet espace de simulation ainsi que le respect de la statistique du système. Une fois ces étapes de validation franchies, nous avons produit des grilles de profils Stark pour les deux raies les plus importantes de l'atome d'hélium dans le domaine du visible, soit He ɪ λ4471 et He ɪ λ4922, pour des températures entre 10,000 K et 40,000 K et des densités électroniques entre 1 × 10¹⁴ cm⁻³ et 6 × 10¹⁷ cm⁻³. Une comparaison avec d'autres résultats publiés démontre que nos calculs rivalisent avec les meilleurs profils obtenus dans le domaine des simulations numériques de l'élargissement Stark. L'élaboration de cet outil ouvre la voie à la création d'une nouvelle génération de modèles d'atmosphères de naines blanches qui nous permettra de raffiner l'analyse spectroscopique de ces objets. / This thesis deals with the study of white dwarf stars of the DB type, whose spectrum is dominated by neutral helium lines. Recent work has revealed that physical parameters — namely the effective temperature and the stellar mass — measured using the so-called spectroscopic technique are problematic for this type of white dwarf. In this study, we re-examine one of the essential ingredients of this method, namely the calculation of Stark broadening profiles of neutral helium lines. This problem was addressed 25 years ago by our research group using the standard Stark broadening theory. Semi-analytical profiles calculated under this theory consider electrons as dynamic and ions as static. With the improvement of computer numerical power, other research groups have significantly improved the treatment of Stark brodening by producing numerical simulations describing in detail the dynamics and interactions of the perturbers (ions and electrons) near the emitter (the helium atom in our case). However, they generated Stark profile tables, applicable to the computation of synthetic spectra for white dwarf stars, for only two lines of the helium atom. In this thesis, we describe the creation of our own simulation environment including some important aspects considered in previous work (unification of ion and electron treatment, correction for ion dynamics, transition of the electron contribution to broadening from the core to the wings of the profile, numerical integration of the quantum operator of the time evolution of helium perturbed by a fluctuating electric field, Debye correction for the correlation of the motion of charged perturbers, local density variation and particle reinjection) in order to better represent the dynamical environment of the helium atom. Intermediate steps, such as the construction of the simulation space and the quasi-static model, allowed us to validate this simulation space and the respect of the system statistics. Once these validation steps were completed, we produced grids of Stark profiles for the two most important lines of the helium atom in the optical, namely He ɪ λ4471 et He ɪ λ4922, for temperatures between 10,000 K and 40,000 K and electronic densities between 1 × 10¹⁴ cm⁻³ and 6 × 10¹⁷ cm⁻³. A comparison with other published results shows that our calculations rival the best profiles obtained in the field of numerical simulations of Stark broadening. The development of this tool paves the way for the creation of a new generation of white dwarf atmosphere models that will allow us to refine the spectroscopic analysis of these objects.

L’émission X associée à l’accrétion sur un objet compact présenter une important variabilit photométrique et spectroscopique. Quand l’accréteur est en orbite autour d’une étoile Supergéante, il capture une fraction du vent stellaire supersonique qui forme des chocs dans son voisinage. L’amplitude et la stabilité de cette focalisation gravitationnelle conditionnent le taux d’accrétion de masse responsable, in fine, de la luminosité X des Binaires X Supergéantes (SgXB). La capacité de ce flot à faible moment angulaire à former un disque susceptible de présenter des instabilités est en jeu.Grâce à des setups numériques sophistiqués, nous caractérisons la structure du flot de Bondi- Hoyle-Lyttleton sur un objet compact, depuis le choc jusqu’au voisinage de l’accréteur, typiquement 5 ordres de grandeur plus petit. L’évolution du choc détaché qui se forme autour de l’accréteur (structure transverse, angle d’ouverture, stabilité, profil de température) avec le nombre de Mach est détaillé. La fiabilité de ces simulations basées sur le code hautes performances MPI-AMRVAC est étayée par la topologie de la surface sonique, en accord avec le attentes théoriques.Nous développons un modèle synthétique de transfert de masse dans les SgXB qui couple le lancement du vent, les paramètres stellaires, l’évolution orbital du flot et l’accrétion. Nous montrons que la forme du flot est entièrement détermimée par les facteur de remplissage et d’Eddington, le rapport de masse et le multiplieur de force alpha. Avec les paramètres d’échelle, nous pouvons en déduire, eg, la luminosité X, le processus d’accrétion et le cisaillement du flot. / X-ray emission associated to accretion onto compact objects displays important levels of photometric and spectroscopic time-variability. When the accretor orbits a Supergiant star, it captures a fraction of the supersonic radiatively-driven wind which forms shocks in its vicinity. The amplitude and stability of this gravitational beaming of the flow conditions the mass accretion rate responsible, in fine, for the X-ray luminosity of those Supergiant X-ray Binaries (SgXB). The capacity of this low angular momentum inflow to form a disc susceptible to be the stage of instabilities remains at stake.Using state-of-the-art numerical setups, we characterize the structure of a Bondi-Hoyle- Lyttleton flow onto a compact object, from the shock down to the vicinity of the accretor, typically five orders of magnitude smaller. The evolution of the bow shock which forms around the accretor (transverse structure, opening angle, stability, temperature profile...) with the Mach number of the flow is detailed. The robustness of those simulations based on the High Performance Computing MPI-AMRVAC code is supported by the topology of the inner sonic surface, consistent with theoretical expectations.We develop a synthetic model of mass transfer in SgXB which couples the launching of the wind the stellar parameters, the orbital evolution of the streamlines and the accretion process. We show that the shape of the permanent flow is entirely determined by the filling and Eddington factor, the mass ratio and the alpha force multiplier. Provided scales are known, we can trace back, eg, the X-ray luminosity, the accretion mechanism (stream or wind-dominated) and the shearing of the inflow.

Dans la recherche d’exoplanètes comme la Terre dans la zone habitable de leur étoile, la vélocimétrie radiale s’est avérée un outil important. Les candidats les plus intéressants pour faire ce genre de mesures sont les naines rouges, car la zone habitable se trouve proche de l’étoile et possède donc une courte période, et de par leurs faibles masses, l’orbite d’une planète comme la Terre induirait un signal de l’ordre de 1 ms^−1. L’effet Doppler résultant de ce mouvement est mesurable par des spectrographes optimisés pour la vélocimétrie de haute précision. Par contre, comme les naines rouges émettent principalement dans l’infrarouge et que l’atmosphère terrestre présente de fortes raies d’absorption dans ces longueurs d’onde, il est alors important de soustraire ces raies pour minimiser le biais de vitesse radiale de l’étoile induit par l’atmosphère. Le but de ce travail de maîtrise fut de développer un algorithme permettant de faire des mesures de vélocimétrie de haute précision dans le domaine infrarouge, de procéder à la quantification de l’impact des raies d’absorption telluriques et de déterminer une cible pour le niveau requis de retrait de ces raies. Une méthode de traitement de données basée sur l’analyse d’un spectre segmenté adéquatement pondéré fut aussi développée pour extraire optimalement la vitesse radiale en présence de raies telluriques résiduelles. On note l’existence d’une corrélation entre l’époque des mesures et l’incertitude de vitesse radiale associée avec les raies telluriques résiduelles ce qui souligne toute l’importance du choix de la fenêtre d’observation pour atteindre une précision de 1 ms^−1. De cette analyse, on conclut qu’un masque de 80% de transmission couplé avec un retrait laissant au maximum 10% des raies telluriques est requis pour atteindre des performances mieux que le ms^−1. / In the search for an exoplanet like Earth in the habitable zone of its star, radial velocimetry has proved itself an important tool. The most promising candidates for this type of measurements are red dwarfs. Since their habitable zone is very close to the star with relatively small orbital periods (a few weeks), and because of their small masses, the presence of an Earth-like planet in their habitable zone would produce a signal of ∼ 1 ms−1. Such a small Doppler effect resulting from this reflex motion is within the capabilities of precision radial velocity instruments. But, since red dwarfs emit mostly in the infrared and Earth’s atmosphere has strong absorption lines in that domain, the removal of telluric absorption lines is crucial to minimize the velocity bias induced by the atmosphere. The goal of this work was the development of an algorithm capable of performing high precision radial velocimetry measurements, to quantify the impact of telluric lines on the measurements and to determine the level of telluric line masking and attenuation needed to minimize their impact on velocity measurements. A data processing method based on the analysis of an adequately weighted segmented spectrum was also developed to optimally extract radial velocities in the presence of residual telluric lines. We note the existence of a correlation between the time of the measurements and the radial velocity uncertainty associated with the residual telluric lines, which underlines the importance of the choice of the observation window to achieve an accuracy of 1 meter per second. From this analysis, it is concluded that a mask of 80% transmission coupled with an attenuation leaving a maximum of 10% of the telluric lines is required to achieve performance better than 1 meter per second.

Les deux méthodes principales pour mesurer la constante de Hubble, soit le taux d’expansion actuel de l’Univers, trouvent des valeurs différentes. L’une d’elle s’appuie lourdement sur le modèle cosmologique aujourd’hui accepté pour décrire le cosmos et l’autre, sur une mesure directe. Le désaccord éveille donc des soupçons sur l’existence d’une nouvelle physique en dehors de ce modèle. Si une autre méthode, indépendante des deux en conflit, soutenait une des deux valeurs, cela orienterait les efforts des cosmologistes pour résoudre la tension. Les lentilles gravitationnelles fortes comptent parmi les méthodes candidates. Ce phénomène se produit lorsqu’une source lumineuse s’aligne avec un objet massif le long de la ligne de visée d’un télescope. La lumière dévie de sa trajectoire sur plusieurs chemins en traversant l’espace-temps déformé dans le voisinage de la masse, résultant en une image déformée, gros- sie et amplifiée. Dans le cas d’une source lumineuse ponctuelle, deux ou quatre images se distinguent nettement. Si cette source est aussi variable, une de ses fluctuations apparaît à différents moments sur chaque image, puisque chaque chemin a une longueur différente. Le délai entre les signaux des images dépend intimement de la constante de Hubble. Or, cette approche fait face à de nombreux défis. D’abord, elle requiert plusieurs jours à des spécialistes pour exécuter la méthode de Monte-Carlo par chaînes de Markov (MCMC) qui évalue les paramètres d’un seul système de lentille à la fois. Avec les détections de milliers de systèmes prévues par l’observatoire Rubin dans les prochaines années, cette approche est inconcevable. Elle introduit aussi des simplifications qui risquent de biaiser l’inférence, ce qui contrevient à l’objectif de jeter la lumière sur le désaccord entre les mesures de la constante de Hubble. Ce mémoire présente une stratégie basée sur l’inférence par simulations pour remédier à ces problèmes. Plusieurs travaux antérieurs accélèrent la modélisation de la lentille grâce à l’ap- prentissage automatique. Notre approche complète leurs efforts en entraînant un estimateur neuronal de ratio à déterminer la distribution de la constante de Hubble, et ce, à partir des produits de la modélisation et des mesures de délais. L’estimateur neuronal de ratio s’exécute rapidement et obtient des résultats qui concordent avec ceux de l’analyse traditionnelle sur des simulations simples, qui ont une cohérence statistique acceptable et qui sont non-biaisés. / The two main methods to measure the Hubble constant, the current expansion rate of the Universe, find different values. One of them relies heavily on today’s accepted cosmological model describing the cosmos and the other, on a direct measurement. The disagreement thus arouses suspicions about the existence of new physics outside this model. If another method, independent of the two in conflict, supported one of the two values, it would guide cosmologists’ efforts to resolve the tension. Strong gravitational lensing is among the candidate methods. This phenomenon occurs when a light source aligns with a massive object along a telescope line of sight. When crossing the curved space-time in the vicinity of the mass, the light deviates from its trajectory on several paths, resulting in a distorted and magnified image. In the case of a point light source, two or four images stand out clearly. If this source is also variable, the luminosity fluctuations will appear at different moments on each image because each path has a different length. The time delays between the image signals depend intimately on the Hubble constant. This approach faces many challenges. First, it requires several days for specialists to perform the Markov Chain Monte-Carlo (MCMC) which evaluates the parameters of a single lensing system at a time. With the detection of thousands of lensing systems forecasted by the Rubin Observatory in the coming years, this method is inconceivable. It also introduces simplifications that risk biasing the inference, which contravenes the objective of shedding light on the discrepancy between the Hubble constant measurements. This thesis presents a simulation-based inference strategy to address these issues. Several previous studies have accelerated the lens modeling through machine learning. Our approach complements their efforts by training a neural ratio estimator to determine the distribution of the Hubble constant from lens modeling products and time delay measurements. The neural ratio estimator results agree with those of the traditional analysis on simple simulations, have an acceptable statistical consistency, are unbiased, and are obtained significantly faster.

L'étude des exoplanètes et de leur atmosphère a connu une croissance fulgurante dans les deux dernières décennies. Les observations spectrophotométriques à partir d'observatoires spatiaux comme Hubble ont permis d'apporter certaines contraintes sur les phénomènes physiques et la composition de leur atmosphère, notamment grâce à la spectroscopie d'éclipse. Ces découvertes concernent généralement les planètes les plus favorables à cette technique, dont font partie les Jupiter chaudes. Cependant, les conclusions tirées à partir telles observations comportent leur lot de dégénérescences, causées par leur faible résolution spectrale, leur couverture restreinte en longueurs d'onde et leur précision photométrique limitée. Ces lacunes peuvent être corrigées en partie grâce à la complémentarité des spectrographes à haute résolution basés au sol ainsi qu'à l'aide du nouveau télescope spatial James Webb (JWST). Cette thèse présente, en premier lieu, une des premières analyses combinées d'observations spectrophotométriques prises avec l'instrument Wide Field Camera 3 de Hubble et d'observations à haute résolution avec l'instrument SPIRou (SpectroPolarimètre InfraRouge) du télescope Canada-France-Hawaï. Cette analyse avait pour cible le côté jour de la Jupiter ultra chaude WASP-33b, la deuxième exoplanète la plus chaude connue à ce jour. Aux températures se retrouvant dans l'atmosphère de WASP-33b, avoisinant les 3000 K, des molécules comme l'eau ne peuvent demeurer stables. Cependant, le CO, beaucoup plus résistant à la dissociation thermique, reste observable. Les données de SPIRou ont donc permis de confirmer la détection des raies d'émission du CO, en accord avec deux précédentes études. La combinaison avec les données de Hubble a aussi mené à l'obtention d'un premier estimé de son abondance avec un rapport de mélange volumique de logCO = -4.07 (-0.60) (+1.51). De plus, cette analyse a pu améliorer les contraintes sur la structure verticale en température et confirmer la présence d'une stratosphère. Des limites supérieures sur d'autres molécules comme l'eau, le TiO et le VO ont aussi pu être établies. En second lieu, un algorithme d'extraction spectrale intitulé ATOCA (Algorithme de Traitement d'Ordres ContAminés) est présenté. Celui-ci est dédié au mode d'observation SOSS (Single Object Slitless Spectroscopy) de l'instrument NIRISS (Near InfraRed Imager and Slitless Spectrograph), la contribution canadienne à JWST. Ce mode d'observation couvre une plage de longueurs d'onde allant de 0,6 à 2,8 um simultanément grâce à la présence des deux premiers ordres de diffraction sur le détecteur. La nécessité d'un nouvel algorithme provient du fait que ces deux ordres générés par le « grisme » du mode SOSS se chevauchent sur une petite portion du détecteur. En conséquence, la région de l'ordre 1 couvrant les plus grandes longueurs d'onde (1,6–2,8 um) est contaminée par l'ordre 2 couvrant l'intervalle entre 0,85 et 1,4 um. ATOCA permet donc de décontaminer chacun des ordres en construisant d'abord un modèle linéaire de chaque pixel individuel du détecteur, en fonction du flux incident. Ce flux peut ensuite être extrait simultanément pour les deux ordres en comparant le modèle aux observations et en solutionnant le système selon un principe de moindres carrés. Ces travaux ont pu montrer qu'il est possible de décontaminer en dessous de 10 ppm pour chaque spectre individuel. / In the last decades, the research on exoplanets and their atmosphere has grown phenomenally. Space based observatories with spectrophotometric capabilities like Hubble allowed to put some constraints on the physical processes occuring in exoplanets’ atmosphere and their chemical composition. These discoveries concern mainly the hotter and larger planets, such as Hot Jupiters, which are the most favorable for atmospheric characterization. However, due to their low spectral resolution and their limited wavelength range and photometric accuracy, the scientific conclusions based on these observations can be degenerate. Some of these degeneracies can be lifted with the use of ground-based high-resolution spectrographs or the new James Webb Space Telescope (JWST). On the one hand, this thesis present one of the first analysis combining Hubble’s spectrosphometric data and high-resolution observations obtained with SPirou (SpectroPolarimètre InfraRouge) at the Canada-France-Hawai telescope. This analysis targeted the dayside of the Ultra Hot Jupiter WASP-33 b, the second-hottest exoplanet known to date. WASP-33 b atmosphere can reach temperatures high enough (≥ 3000 K) to dissociate molecules such as water. However, CO, which is much more resistant to thermal dissociation, remains observable. SPIRou’s observations allowed us to confirm the presence of CO emission lines in WASP-33 b emission spectrum, in agreement with two previous studies. With the addition of published Hubble data, we were able to push further and provide the first estimate CO abundance, with a volume mixing ratio of log10 CO = ≠4.07+1.51 ≠0.60. On the other hand, this thesis propose a new spectral extraction algorithm called ATOCA (Algorithm to Treat Order ContAmination) specifically designed for the SOSS (Single Object Slitless Spectroscopy) mode of the NIRISS instrument (Near InfraRed Imager and Slitless Spectrograph), the Canadian contribution to JWST. This observing mode covers the wavelength range spaning from 0.6 to 2.8 µm simultaneously, due to the presence of the two first diraction orders on NIRISS detector. The need for a new algorithm arises from the fact that these orders, originating from SOSS “grism”, overlap on a small portion of the detector. Consequently, the region of order 1 covering the longest wavelengths (1.6–2.8 µm) is contaminated by the signal from order 2 between 0.85 and 1.4 µm. Hence, ATOCA allows to decontaminate both orders by first building a linear model of each individual pixel of the detector, with the incident flux as an independant variable. This flux is then extracted simultaneously for the two orders by comparing the model to the detector image and by solving the system for the best least square fit. This work has shown that ATOCA can reduce the contamination level below 10 ppm for each individual spectrum.

Les galaxies centrales d'amas de galaxies constituent un environnement particulier pouvant parfois être entouré, dans le domaine optique, d'un système filamentaire complexe et étendu. L'étude de ces structures permet de mieux comprendre le phénomène de rétroaction impliqué au sein de ces galaxies et lié à la présence d'un trou noir supermassif en leur centre. La formation de jets et de bulles remplis d'émission radio conduit à réchauffer et sculpter le milieu intra-amas environnant. Ce réchauffement empêche ainsi le refroidissement du gaz intra-amas et donc la formation stellaire. Les filaments visibles dans le domaine optique ne constituent qu'une partie de la structure multiphasique qui entoure la galaxie centrale d'amas. En effet, plusieurs observations en rayons X du gaz intra-amas et radio du gaz moléculaire montrent clairement des corrélations spatiales entre toutes ces types d'émissions. Néanmoins, plusieurs points restent encore incertains concernant ces nébuleuses filamentaires. Deux modèles principaux s'opposent ainsi pour tenter d'expliquer l'origine de leur formation et le phénomène d'ionisation du gaz n'est toujours pas déterminé avec certitude. Dès lors, l'étude de la nébuleuse filamentaire entourant la galaxie centrale de l’amas de Persée, NGC 1275, au moyen d'observations à très haute résolution spectrale à l'aide de l'instrument SITELLE (Spectromètre imageur à transformée de Fourier pour l’étude en long et en large de raies d’émission), se révèle fondamentale. Ce spectromètre imageur à transformée de Fourier installé au télescope Canada-France-Hawaï dispose de caractéristiques exceptionnelles nous permettant d'étudier la nébuleuse filamentaire de NGC 1275 dans son entièreté. En effet, le champ de vue extrêmement large de SITELLE ($11' \times 11'$) ainsi que sa capacité d'atteindre de très hautes résolutions spectrales en font un atout de choix pour l'étude de telle structure. Dans ce mémoire, nous avons analysé de nouvelles observations de NGC 1275 obtenues avec SITELLE, à une très haute résolution spectrale de $R = \lambda/\Delta\lambda = 7000$. L'analyse de ces observations a permis de renouveler les cartes de vitesse, flux et dispersion en vitesse au sein de la nébuleuse filamentaire, démontrant ainsi que la région centrale semble plus dynamique qu'anticipée auparavant. De plus, grâce à la très haute résolution spectrale atteinte au sein de ces données, une analyse détaillée des raies d'émission de [SII] a pu être menée, révélant dès lors plus d'informations sur la densité du gaz au sein des filaments. L'étude de ratio de raies permet également de mieux cerner le mécanisme d'ionisation ayant lieu au sein de cette structure. Finalement, cette étude de données à très haute résolution spectrale des filaments permettra à terme d'obtenir les diagrammes BPT offrant ainsi une meilleure compréhension du phénomène d'ionisation. Une étude sera également menée sur les multiples composantes en vitesse visible localement dans la région centrale des filaments et pouvant être résolues. Enfin, ces données serviront de base pour les futures observations en rayon X de l'instrument XRISM (\textit{X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission}). / The central cluster galaxies constitute a particular environment that can sometimes be surrounded, in the optical domain, by a complex and extended filamentary system. The study of these structures makes it possible to better understand the feedback phenomenon involved within these galaxies and linked to the presence of a supermassive black hole in their center. The formation of jets, streams and bubbles filled with radio emissions that it entails leads to heating and sculpting the surrounding intra-cluster medium. This heating thus prevents the cooling of the gas by emission and therefore the formation of stars. Thus, the filaments visible in the optical domain are only part of the multiphase structure that surrounds the central cluster galaxy. Indeed, several X-ray and radio observations clearly show spatial correlations between all these types of emissions. Nevertheless, several points still remain uncertain concerning filamentary nebulae. Two main models thus oppose each other in an attempt to explain the origin of their formation, either through precipitation or lifted up in the wake of radio bubbles, and the phenomenon of gas ionization is still not determined with certainty. Therefore, the study of the filamentary nebula surrounding the central cluster galaxy of the Perseus cluster, NGC 1275, by means of very high spectral resolution observations using the SITELLE instrument (Spectromètre imageur à transformée de Fourier pour l’étude en long et en large de raies d’émission), can yield fundamental results that will shed light on the origin and evolution of these filamentary nebulae. SITELLE is a Fourier transform imaging spectrometer installed at the Canada-France-Hawaii telescope that has exceptional characteristics allowing us to study the filamentary nebula of NGC 1275 in its entirety. Indeed, the extremely wide field of view of SITELLE ($11' \times 11'$) as well as its capacity to reach very high spectral resolutions make it an instrument of choice for the study of such structures. Here, we present the analysis of new observations of NGC 1275 taken with SITELLE at very high spectral resolution of $R = \lambda/\Delta\lambda = 7000$. The analysis of these observations has thus made it possible to produce new maps of velocity, flux and velocity dispersion within the filamentary nebula, thus demonstrating that the central region seems more dynamic than previously anticipated. In addition, thanks to the very high spectral resolution achieved within these data, a detailed analysis of the emission lines of [SII] could be carried out, revealing more information on the density of the gas within the filaments. The study of line ratios also makes it possible to better understand the ionization mechanism taking place within this structure. Finally, this study of very high spectral resolution data from the filaments will ultimately make it possible to obtain BPT diagrams, thus offering a better understanding of the ionization phenomenon. The multiple velocity components, locally visible and resolved in the central region of the filaments, will also be studied. Finally, these data will serve as a basis for future X-ray observations from the XRISM (\textit{X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission}) instrument.

Dans ce mémoire, je présente l'étude d'une étoile évoluée, massive et très brillante au cœur de l'amas ouvert vdBH 245, basée sur l'analyse spectrale quantitative de ses étoiles membres et l'utilisation de modèles d'évolution stellaire. L'analyse spectrale consiste en l'ajustement global de spectres synthétiques sur des spectres visibles observés par l'instrument GMOS (Gemini Multi-Object Spectrograph). Les modèles d'atmosphères sont tirées de la grille de modèle d'atmosphère d'étoile B précoce BSTAR2006, calculé avec le code d'atmosphère stellaire TLUSTY. À l'aide des résultats de cette analyse, de la photométrie infrarouge des relevés VVV (VISTA Variables in the Via Lactea) et 2MASS (Two Micron All-Sky Survey) ainsi que de l'astrométrie du relevé Gaia et des catalogues PPMXL et VIRAC2 (VVV Infrared Astrometric Catalogue, version 2), j'arrive à confirmer l'appartenance des étoiles à l'amas et à en déduire leurs températures effectives et luminosités. Ces quantités permettent de tracer le diagramme Hertzsprung-Russel (HR) de la population, et d'estimer les propriétés fondamentales des étoiles de l'amas à l'aide de modèles évolutifs tenant compte d'une variété de mécanismes, telles la rotation stellaire et les interactions binaires. Les études précédentes qui se sont penchées sur l'amas sont en désaccord sur sa distance et son âge. En plus d'enquêter sur les propriétés d'une étoile surbrillante découverte dans le cœur de l'amas vdBH 245, les résultats de notre étude nous permettent de produire de nouveaux estimés de ces propriétés à l'aide de la plus récente photométrie infrarouge du relevé VVV et de nouvelles données astrométriques. En supposant une population d'étoiles nées simultanément, l'âge de l'amas peut aussi être contraint en identifiant le point dans le diagramme HR où les étoiles ont commencé à quitter la séquence principale. En estimant l'âge de l'amas, il est ensuite possible de mesurer sa masse totale, et de proposer des scénarios expliquant la présence de l'étoile surbrillante au cœur d'un amas qui semble, à première vue, beaucoup trop vieux pour l'accueillir. Les premiers chapitres de ce mémoire mettent l'accent sur le prétraitement des spectres visibles préalablement réduits, leur analyse spectrale quantitative et la méthode par laquelle le type spectral et la classe de luminosité sont évalués pour chaque étoile membre de l'amas vdBH 245 considérés dans cette étude. La dernière section est un article scientifique qui complète cette étude, où j'y présente l'interprétation des résultats en me basant sur des modèles évolutifs de l'équipe de Genève et ceux du code BPASS (Binary Population and Spectral Synthesis). Cette étude contribue à la caractérisation des rares amas ouverts jeunes observés et étudiés dans notre Galaxie, contenant une étoile aux apparences exotiques. L'étude de ce type d'objet dans leur milieu natal est crucial à notre compréhension de la formation stellaire, de son évolution pour les étoiles massives, ainsi qu'à la mise à l'épreuve des modèles évolutifs et leur perfectionnement. / In this thesis, I present the study of a bright and evolved massive star in the heart of the open cluster vdBH 245, based on a quantitative spectral analysis of its stellar content and the use of stellar evolution models. The spectral analysis involves the global fitting of synthetic spectra on optical spectra observed by the GMOS (Gemini Multi-Object Spectrograph) instrument. Atmosphere models and synthetic spectra are drawn from the model grid for early B-type stars BSTAR2006, calculated by the stellar atmosphere code TLUSTY. Using the results of the spectral analysis, the infrared photometry from the VVV (VISTA Variables in the Via Lactea) and 2MASS (Two Micron All-Sky Survey) surveys and the astrometry of the Gaia survey and the PPMXL and VIRAC2 (VVV Infrared Astrometric Catalogue, version 2) catalogues, I confirm the cluster membership of $\sim$10 early B-type stars to vdBH 245, and measure their effective temperatures and luminosities. These quantities allow the construction of the Hertzsprung-Russel diagram (HRD) of the cluster population, and estimation of the fundamental properties of the stars using evolution models that account for various mechanisms, such as stellar rotation and binary interactions. The previous studies on the open cluster vdBH 245 disagree with its age and distance. In addition to investigating the overluminous star discovered in the heart of the cluster, this study allows new estimates of these properties using the more recent infrared photometry from the VVV survey and new astrometric data. By assuming a coeval population, the age of the cluster can also be constrained by identifying its main-sequence turn-off, i.e. the region in the HRD where stars are leaving the main-sequence. By estimating the age, we can then measure its total mass, and propose different scenarios that can explain the presence of an overluminous yellow supergiant in a cluster that appears too old to foster it. The first chapters of this thesis focus on the preprocessing and quantitative spectral analysis of the optical spectra, as well as the methods used to assign a spectral type and luminosity class of each star that were confirmed to be members of the open cluster vdBH 245. The last chapter presents the scientific paper that completes this study, in which I interpret the results using the stellar evolution models of the Geneva team and those of the BPASS (Binary Population and Spectral Synthesis) code. This last part contributes to the effort of characterizing these rare young open clusters observed and studied in our Galaxy, that contain stars with exotic appearances. The study of this type of object in its natal environment is crucial to our understanding of stellar formation, massive star evolution, and the testing of stellar evolution models and their improvements.

Les binaires X, composées d'un objet compact (naine blanche, étoile à neutrons ou trou noir stellaire) et d'une étoile donneuse, sont des objets fascinants qui ont permis faire des découvertes majeures dans le domaine de l'astrophysique des hautes énergies. Toutefois, l'environnement immédiat de ces dernières, à l'échelle de $\sim$ 100--10,000 unités astronomiques, n'est pour sa part que très peu compris et exploré. Dans ce mémoire, on s'intéresse à la présence de compagnons, autant de masse planétaire que stellaire, dans lesdits environnements des binaires X. Pour ce faire, on a fait appel à des techniques observationnelles qui sont normalement utilisées pour la recherche d'exoplanètes jeunes, chaudes et en orbite autour d'étoiles situées à quelques parsecs de la Terre : il s'agit de l'imagerie directe ou plus précisément de l'imagerie à haut contraste. Ainsi, pour la toute première fois, on a appliqué ces méthodes sur un échantillon de binaires X avec l'instrument proche infrarouge NIRC2 de l'Observatoire W. M. Keck, avec l'aide d'un système d'optique adaptative et d'un coronographe. Ici, on a présenté les premières images à haut contraste de 14 binaires X. Le but était de détecter des sources lumineuses dans les images et de calculer leur flux et leur position avec des méthodes d'optimisation. Ensuite, il s'agissait de définir via diverses analyses si celles-ci sont cohérentes avec des compagnons liés par la gravité à la binaire X, ou plutôt avec des étoiles de fond. Ces travaux se veulent donc une introduction à un nouveau sous-domaine de l'astrophysique qui tente de relier l'exoplanétologie et l'astrophysique des hautes énergies. / X-ray binaries, consisting of a compact object (white dwarf, neutron star or stellar-mass black hole) and a donor star, are fascinating objects that have allowed major breakthroughs in the field of high-energy astrophysics. However, their immediate environments, on the scale of $\sim$ 100--10,000 astronomical units, are still poorly understood. In this Master's thesis, we investigated the presence of companions, ranging from planetary to stellar masses, in the environments of X-ray binaries. In order to do so, we used observational techniques that are normally used for the search of young, hot and distant exoplanets orbiting stars located at a few parsecs from the Earth: direct imaging or more precisely high-contrast imaging. Thus, for the very first time, we applied these techniques on a sample of X-ray binaries with the near-infrared instrument NIRC2 of the W. M. Keck Observatory, with the help of an adaptive optics system and a coronagraph. Here, we present the first high-contrast images for 14 X-ray binaries. The goal was to detect point sources in the images and to calculate their flux and position with optimization methods. Afterward, we determined via a variety of analyses if these were consistent with companions gravitationally bounded to the X-ray binary, or rather with background stars. This work acts as an introduction, albeit exploratory, to a new subfield of astrophysics that attempts to link exoplanetology and high-energy astrophysics.

Nous vivons à une époque marquée par une abondance de données cosmologiques de haute résolution. Cet afflux de données engendré par les missions d'observation de nouvelle génération au sol et dans l'espace porte le potentiel de remodeler fondamentalement notre compréhension de l'univers et de ses principes physiques sous-jacents. Cependant, la complexité grande des données observées pose des défis aux approches conventionnelles d'analyse de données, soit en raison de coûts de calcul irréalisables, soit en raison des hypothèses simplificatrices utilisées dans ces algorithmes qui deviennent inadéquates dans des contextes haute résolution à faible bruit, conduisant à des résultats sous-optimaux. En réponse, la communauté scientifique s'est tournée vers des méthodes innovantes d'analyse de données, notamment les techniques d'apprentissage automatique (ML). Les modèles de ML, lorsqu'ils sont bien entraînés, peuvent identifier de manière autonome des correlations significatives dans les données de manière plus efficace et sans hypothèses restrictives inutiles. Bien que les méthodes de ML aient montré des promesses en astrophysique, elles présentent également des problèmes tels que le manque d'interprétabilité, les biais cachés et les estimations d'incertitude non calibrées, ce qui, jusqu'a maintenant, a entrave leur application dans d'importantes découvertes scientifiques. Ce projet s'inscrit dans le cadre de la collaboration "Learning the Universe" (LtU), axée sur la reconstruction des conditions initiales de l'univers, en utilisant une approche de modélisation bayésienne et en exploitant la puissance du ML. L'objectif de ce projet est de développer un cadre pour mener une inférence bayésienne au niveau des pixels dans des problèmes multidimensionnels. Dans cette thèse, je présente le développement d'un cadre d'apprentissage profond pour un échantillonnage rapide des postérieurs en dimensions élevées. Ce cadre utilise l'architecture "Hierarchical Probabilistic U-Net", qui combine la puissance de l'architecture U-Net dans l'apprentissage de cartes multidimensionnelles avec le rigoureux cadre d'inférence des autoencodeurs variationnels conditionnels. Notre modèle peut quantifier les incertitudes dans ses données d'entraînement et générer des échantillons à partir de la distribution a posteriori des paramètres, pouvant être utilisés pour dériver des estimations d'incertitude pour les paramètres inférés. L'efficacité de notre cadre est démontrée en l'appliquant au problème de la reconstruction de cartes du fond diffus cosmologique (CMB) pour en retirer de l'effet de lentille gravitationnelle faible. Notre travail constitue un atout essentiel pour effectuer une inférence de vraisemblance implicite en dimensions élevées dans les domaines astrophysiques. Il permet d'exploiter pleinement le potentiel des missions d'observation de nouvelle génération pour améliorer notre compréhension de l'univers et de ses lois physiques fondamentales. / We live in an era marked by an abundance of high-resolution cosmological data. This influx of data brought about by next-generation observational missions on the ground and in space, bears the potential of fundamentally reshaping our understanding of the universe and its underlying physical principles. However, the elevated complexity of the observed data poses challenges to conventional data analysis approaches, either due to infeasible computational costs or the simplifying assumptions used in these algorithms that become inadequate in high-resolution, low-noise contexts, leading to suboptimal results. In response, the scientific community has turned to innovative data analysis methods, including machine learning (ML) techniques. ML models, when well-trained, can autonomously identify meaningful patterns in data more efficiently and without unnecessary restrictive assumptions. Although ML methods have shown promise in astrophysics, they also exhibit issues like lack of interpretability, hidden biases, and uncalibrated uncertainty estimates, which have hindered their application in significant scientific discoveries. This project is defined within the context of the Learning the Universe (LtU) collaboration, focused on reconstructing the initial conditions of the universe, utilizing a Bayesian forward modeling approach and harnessing the power of ML. The goal of this project is to develop a framework for conducting Bayesian inference at the pixel level in high-dimensional problems. In this thesis, I present the development of a deep learning framework for fast high-dimensional posterior sampling. This framework utilizes the Hierarchical Probabilistic U-Net architecture, which combines the power of the U-Net architecture in learning high-dimensional mappings with the rigorous inference framework of Conditional Variational Autoencoders. Our model can quantify uncertainties in its training data and generate samples from the posterior distribution of parameters, which can be used to derive uncertainty estimates for the inferred parameters. The effectiveness of our framework is demonstrated by applying it to the problem of removing the weak gravitational lensing effect from the CMB. Our work stands as an essential asset to performing high-dimensional implicit likelihood inference in astrophysical domains. It enables utilizing the full potential of next-generation observational missions to improve our understanding of the universe and its fundamental physical laws.