Cette thèse porte sur la capacité à détecter des compagnons de faible intensité en présence de bruit de tavelures dans le contexte de l’imagerie à haute gamme dynamique pour l’astronomie spatiale. On s’intéressera plus particulièrement à l’imagerie spectrale différentielle (ISD) obtenue en utilisant un étalon Fabry-Pérot comme filtre accordable. Les performances d’un tel filtre accordable sont présentées dans le cadre du Tunable Filter Imager (TFI), instrument conçu pour le télescope spatial James Webb (JWST). La capacité de l’étalon à supprimer les tavelures avec ISD est démontrée expérimentalement grâce à un prototype de l’étalon installé sur un banc de laboratoire. Les améliorations de contraste varient en fonction de la séparation, s’étendant d’un facteur 10 pour les séparations supérieures à 11 lambda/D jusqu’à un facteur 60 à 5 lambda/D. Ces résultats sont cohérents avec une étude théorique qui utilise un modèle basé sur la propagation de Fresnel pour montrer que les performances de suppression de tavelures sont limitées par le banc optique et non pas par l’étalon. De plus, il est démontré qu’un filtre accordable est une option séduisante pour l’imagerie à haute gamme dynamique combinée à la technique ISD. Une seconde étude basée sur la propagation de Fresnel de l’instrument TFI et du télescope, a permis de définir les performances de la technique ISD combinée avec un étalon pour l’astronomie spatiale. Les résultats prévoient une amélioration de contraste de l’ordre de 7 jusqu’à 100, selon la configuration de l’instrument. Une comparaison entre ISD et la soustraction par rotation a également été simulée. Enfin, la dernière partie de ce chapitre porte sur les performances de la technique ISD dans le cadre de l’instrument Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS), conçu pour remplacer TFI comme module scientifique à bord du Fine Guidance Sensor du JWST. Cent quatre objets localisés vers la région centrale de la nébuleuse d’Orion ont été caractérisés grâce à un spectrographe multi-objet, de basse résolution et multi-bande (0.85-2.4 um). Cette étude a relevé 7 nouvelles naines brunes et 4 nouveaux candidats de masse planétaire. Ces objets sont utiles pour déterminer la fonction de masse initiale sous-stellaire et pour évaluer les modèles atmosphériques et évolutifs futurs des jeunes objets stellaires et sous-stellaires. Combinant les magnitudes en bande H mesurées et les valeurs d’extinction, les objets classifiés sont utilisés pour créer un diagramme de Hertzsprung-Russell de cet amas stellaire. En accord avec des études antérieures, nos résultats montrent qu’il existe une seule époque de formation d’étoiles qui a débuté il y a environ 1 million d’années. La fonction de masse initiale qui en dérive est en accord avec des études antérieures portant sur d’autres amas jeunes et sur le disque galactique. / This thesis determines the capability of detecting faint companions in the presence of speckle noise when performing space-based high-contrast imaging through spectral differential imagery (SDI) using a low-order Fabry-Perot etalon as a tunable filter. The performance of such a tunable filter is illustrated through the Tunable Filter Imager (TFI), an instrument designed for the James Webb Space Telescope (JWST). Using a TFI prototype etalon and a custom designed test bed, the etalon’s ability to perform speckle-suppression through SDI is demonstrated experimentally. Improvements in contrast vary with separation, ranging from a factor of 10 at working angles greater than 11 lambda/D and increasing up to a factor of 60 at 5 lambda/D. These measurements are consistent with a Fresnel optical propagation model which shows the speckle suppression capability is limited by the test bed and not the etalon. This result demonstrates that a tunable filter is an attractive option to perform high-contrast imaging through SDI. To explore the capability of space-based SDI using an etalon, we perform an end-to-end Fresnel propagation of JWST and TFI. Using this simulation, a contrast improvement ranging from a factor of 7 to 100 is predicted, depending on the instrument’s configuration. The performance of roll-subtraction is simulated and compared to that of SDI. The SDI capability of the Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS), the science instrument module to replace TFI in the JWST Fine Guidance Sensor is also determined. Using low resolution, multi-band (0.85-2.4 um) multi-object spectroscopy, 104 objects towards the central region of the Orion Nebular Cluster have been assigned spectral types including 7 new brown dwarfs, and 4 new planetary mass candidates. These objects are useful for determining the substellar initial mass function and for testing evolutionary and atmospheric models of young stellar and substellar objects. Using the measured H band magnitudes, combined with our determined extinction values, the classified objects are used to create an Hertzsprung-Russell diagram for the cluster. Our results indicate a single epoch of star formation beginning 1 Myr ago. The initial mass function of the cluster is derived and found to be consistent with the values determined for other young clusters and the galactic disk.

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Les amas de galaxies sont l'une des plus grandes structures dans l'univers et jouent le rôle d'hôte de plusieurs phénomènes complexes. Bien qu'il existe beaucoup d'études portant sur leur formation et leur évolution, l'avènement récent de l'apprentissage automatique en astronomie nous permet d'investiguer des questions qui, jusqu'à maintenant, demeuraient sans réponse. Même si ce mémoire se concentre sur l'application de techniques d'apprentissage automatique aux observations en rayons X des amas de galaxies, nous explorons l'usage de ces techniques à son homologue à une échelle réduite : les galaxies elles-mêmes. Malgré le fait que les trois articles présentés dans ce mémoire se concentrent sur différents aspects de la physique, sur de différentes échelles et sur de différentes techniques, ils forment une base d'études que je continuerai pendant mon doctorat : l'usage des nouvelles techniques pour investiguer la physique des régions galactiques et extragalactiques. Dans le premier article, nous introduisons les premières observations en rayons X d'un amas de galaxies lointain qui détient des attributs particuliers comme une formation stellaire hors pair (∽ 900 M⊙/an). Dans cet article, nous employons les techniques traditionnelles en astronomie rayons X pour déterminer si ce taux de formation stellaire est dû à un courant de refroidissement désinhibé. Puisque l'objet est très lointain (z=1.7), il faut faire nos calculs sans beaucoup de photons et il faut donc utiliser les indices par procuration. Nous déterminons que la galaxie centrale est séparée d'une distance de plus de 50 kpc du coeur froid de l'amas. À cause de cette séparation, le trou noir supermassif central n'est pas alimenté et il ne peut pas prévenir le courant de refroidissement. Ceci est le premier exemple d'un amas de galaxies où nous observons l'échec de la rétroaction d'un trou noir supermassif. De plus, ceci nous fournit un autre mécanisme qui peut créer la lumière intra-amas. Dans le deuxième article présenté ici, nous examinons l'émission rayons X provenant du milieu intra-amas extrêmement chaud des amas de galaxies. Nous développons une méthode compréhensive qui détermine le nombre de composantes thermiques sous-jacentes dans un spectre de plasma. Notre nouvelle technique est basée sur une combinaison d'algorithmes d'apprentissage automatique non supervisé (analyse de composantes principales) et d'apprentissage automatique supervisé (arbre aléatoire). Nous créons un ensemble de 100 000 observations synthétiques et réalistes de Chandra qui représentent le gaz chaud dans les amas de galaxies voisines. Après la réduction de notre ensemble d'entraînement à ses 25 composantes principales, nous entraînons notre classificateur afin qu'il puisse déterminer le nombre de composantes thermiques sous-jacentes. Une fois l'étape d'entraînement terminée et l'optimisation des hyperparamètres terminée, nous appliquons la méthodologie à l'amas de galaxies de Persée. En plus de créer une carte de l'amas qui indique le nombre de composantes thermiques nécessaires afin de modéliser précisément l'émission du gaz chaud, nous avons développé un ensemble d'outils numériques qui calculent les températures associées. Nos résultats sont en accord avec plus d'une décennie d'études sur l'amas de galaxies de Persée et nous indiquent qu'il faut utiliser plusieurs composantes thermiques pour modéliser le milieu intra-amas correctement. Le troisième article présenté dans ce mémoire emploie de nouveau l'apprentissage automatique pour résoudre une question précédemment sans réponse nécessaire pour la caractérisation précise de la cinématique de gaz chaud dans les galaxies. Nous avons construit un réseau de neurones convolutif qui estime la vitesse et l'élargissement des raies d'émission d'un spectre de galaxies en visible. Une fois construit, nous l'appliquons aux données synthétiques qui répliquent les observations réelles de SITELLE du programme SIGNALS. En utilisant notre réseau bien entraîné, nous caractérisons l'émission d'une cible de SIGNALS : la galaxie M33. Nos résultats indiquent que notre algorithme surpasse les méthodes standards et s'adapte bien aux procédures d'ajustement spectral. En outre, notre méthodologie augmente la vitesse des calculs par plus d'un ordre de grandeur. Bien que l'algorithme soit entraîné spécifiquement pour SITELLE, on peut faire de petites modifications pour l'utiliser avec des autres interféromètres tels que MUSE et ses futurs analogues dans la prochaine génération de télescopes. Notez que j'ai mené à titre de premier auteur deux des trois articles présentés dans ce mémoire et apporté des contributions majeures au troisième. Les trois articles ont déjà été acceptés pour publication ou ont déjà été soumis et révisés une fois. / Galaxy clusters are one of the largest structures in the universe and host several complex physical phenomena. Although a wealth of knowledge already exists on their formation and evolution, the recent advent of machine learning in the astronomical sciences has allowed us to probe questions heretofore unanswered. While this thesis does focus heavily on the application of machine learning techniques to X-ray observations of galaxy clusters, it takes the techniques applied there to galaxy cluster's smaller counterparts: the individual galaxies themselves. Although the three papers presented here focus on distinct physics, scales, and techniques, they all form a basis of studies that I will continue during my doctorate: using new techniques to probe the underlying physics of galactic and extragalactic regions. The first paper introduced is a study of a galaxy cluster near the beginning of the epoch of cluster formation exhibiting peculiar attributes such as an elevated stellar formation rate (∽ 900M⊙/yr). In this paper, we employ traditional techniques in X-ray astronomy to determine whether or not the prodigious formation rate is due to an uninhibited cooling core. Since the object is so distant (z=1.7), we must execute our calculations with relatively few photons and thus rely on proxy measures. We determine that there exists a strong cooling flow offset by over 50 kpc from the central galaxy. Because of this offset, the AGN is not fueled and thus fails to heat up the cooling flow. This is the first example of a galaxy cluster in which we observe the failure of AGN feedback. Additionally, this provides another mechanism for the creation of intracluster light. The second article presented here focuses on X-ray emission from the hot intra-cluster medium within the galaxy cluster. We develop a comprehensive method for determining the number of underlying thermal components in the plasma's spectra. Our novel technique relies on a combination of an unsupervised learning algorithm (principal component analysis) and a supervised learning algorithm (random forest classification). We create a set of 100,000 realistic mock Chandra observations of the hot X-ray emitting gas in nearby galaxy clusters. After reducing our synthetic training set to its 25 most important principal components, we trained a random forest classifier to distinguish between the number of underlying thermal components. After successful testing and hyperparameter optimization, we applied the methodology third paper featured in this thesis once again employs machine learning to solve a previously undetermined question necessary for the accurate characterization of the kinematics of the warm gas in galaxies. We constructed a convolutional neural network to estimate the velocity and broadening parameters from the optical spectra of emission-line nebula and applied it to synthetic data replicating real SITELLE observations from the SIGNALS program. With a trained and optimized network in hand, we apply our methodology to a target of the SIGNALS program: the galaxy M33. Our results indicate our algorithm out-performs previous methods and nicely complements spectral fitting procedures. Moreover, the methodology increases calculation speeds by more than an order of magnitude -- thus greatly reducing the time needed to determine the kinematic parameters. Although the algorithm was trained for SITELLE data, this method can be readily ported to other IFUs such as MUSE. I have led two of the papers presented in this memoire and made major contributions to the third. All three papers have been either accepted for publication or have already been submitted and revised once. to the Perseus Cluster. In addition to creating a map of the cluster indicating the number of thermal components required to accurately model the thermal emission, we developed a suite of analysis routines to determine the temperatures of the underlying components. Our results are in agreement with over a decade of studies on the Perseus cluster and indicate that multiple temperature components are required for the accurate study of its intracluster medium.

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Aujourd'hui, nous sommes tous témoins d'une compétition des installations en pays différents pour étudier les régions inconnues de noyaux riches en neutrons. Beaucoup d'efforts sont consacrés à comprendre le rôle de l'excès de neutrons et son influence sur les noyaux dans les environs de coquilles de neutrons fermées. Un des moyens pour étudier la structure nucléaire est via la désintégration bêta. Une fois un noyau est prouvé d'exister, ses propriétés de désintégration bêta, comme T1/2 et Pn (probabilité de l'émission de neutrons de bêta-retardés), qui sont relativement faciles à mesurer, peuvent fournir les premiers indices sur la structure nucléaire. Sur le site de processus-r des «points d'attente» (noyaux sur des coquilles de neutrons fermés) ont des effets importants sur la dynamique processus-r ainsi que sur la distribution de l'abondance des éléments. Les conditions astrophysiques exactes en vertu de desquelles la synthèse nucléaire a lieu ne sont pas connus avec certitude. Parce que les noyaux participant en processus-r sont difficiles à synthétiser même aujourd'hui et à étudier expérimentalement, les paramètres nécessaires pour les calculs du processus-r sont principalement dérivés de modèles théoriques. Comme on l'a vu récemment, la plupart des théories n'ont pas réussi à reproduire des ensembles de données nouvellement mesurées près de fermetures de couche. Avec de nouvelles données expérimentales déjà (ou bientôt) disponibles les approches théoriques peuvent être ajustées. Comme émission de neutrons retardée bêta devient plus importante voie le canal dominant en désintégration des noyaux loin d'un stabilité, l'utilisation d'un détecteur de neutrons approprié afin d'étudier leurs propriétés est indispensable. C'est pour mener la recherche appropriée que dans le cadre de la thèse, en étroite collaboration avec le JINR (Dubna) un nouveau système de détection a été construit. Il se compose de 80 compteurs de ³He, un détecteur 4π de bêta et un HPGe afin de mesurer simultanément l'activité de gamma, bêta et neutrons. Le développement d'un tel système de détection, actuellement installé sur ALTO, a été le premier objectif de la thèse. Puis, au cours de deux campagnes expérimentales menées pour examiner les propriétés de désintégration bêta de noyaux riches en neutrons dans le proximité de N = 50, N = 82 la capacité de travail du système de détection produit a été prouvée. Dans le région de ⁷⁸Ni : le temps de vie et de la probabilité de l'émission de neutrons bêta retardés pour ⁸º,⁸²,⁸³,⁸⁴Ga ont été mesurés. Nous sommes les premiers à observer la structure de ⁸¹,⁸² Ge via spectroscopie gamma spectre conditionnée par bêta et par neutron. Grâce à la détection des neutrons les intensités absolues de la désintégration bêta ont été proposées pour la première fois. Dans le région de ¹³²Sn les temps de vie de ¹²³Ag, ¹²⁴Ag, ¹²⁵Ag et ¹²⁷In, ¹²⁸In ont été mesurées. Pour la première fois l'émission de neutrons retardés bêta a été observée pour le cas de ¹²⁶Cd, sa valeur Pn également mesurée. Sur la base des données obtenues, nous arrivons à la conclusion que, pour déterminer la contribution relative de désintégrations permises et interdites les efforts théoriques doivent être faites en traversant la couche N = 50. Alors que dans le région de N = 82 plus de données expérimentales sont nécessaires. / Nowadays we are all witnesses of a competition of facilities at different countries to study unknown regions of neutron rich nuclei. Much efforts are devoted to understand the role of neutron excess and its influence on nuclei in vicinity of closed neutron shells. One of the means to investigate nuclear structure is in beta-decay. Once a nucleus is proven to exist, its beta-decay properties, such as T1/2 and Pn (probability of beta-delayed neutron emission), which are relatively easy to measure, can provide the first hints on the nuclear structure. On the r-process site, "waiting points"(nuclei on closed neutron shells) has significant effects on the r-process dynamics and the abundance distribution. The actual side and the astrophysical conditions under which the nuclear synthesis takes place are still not certainly known - since r-process nuclei are difficult to produce and to study experimentally, input parameters for r-process calculations are mostly derived from theoretical models. As it has been seen lately, most of the theories have failed to reproduce newly measured data sets near shell closures. With new experimental data already (or shortly) available theoretical approaches can be adjusted. Since a beta-delayed neutron emission becomes strong if not dominating decaying channel for nuclei far stability, a proper neutron detector to study their properties is indispensable. To conduct the appropriate investigations, in the frame of the present thesis, in close collaboration with JINR (Dubna) a new detection system was constructed. It consists of 80 ³He-filled counters, 4π beta detector and a HPGe in order to measure simultaneously beta, gamma, neutron activity. The development of such a detection system system, currently installed at ALTO ISOL facility, was the first objective of the thesis. Then, during two experimental campaigns conducted to investigate beta decay properties of neutron rich nuclei in the neighborhood of N=50, N=82 the workability of the newly produced detection system was proven. In the vicinity of ⁷⁸Ni: half- lives and probability of beta-delayed neutron emission for ⁸º,⁸²,⁸³,⁸⁴Ga were measured. We were the first to observe the structure of ⁸¹,⁸² Ge via beta neutron gated gamma spectra. Thanks to the neutron detection channel the absolute intensities of beta decay were proposed for the first time. In the vicinity of ¹³²Sn the half lives of ¹²³Ag, ¹²⁴Ag, ¹²⁵Ag and ¹²⁷In, ¹²⁸In was measured. For the first time the beta delayed neutron emission was observed for ¹²⁶Cd, its Pn value also measured. Based on the data obtained we come to the conclusion that to figure out the relative contribution of allowed and forbidden decays more theoretical efforts should be done crossing the N=50 shell. Whereas in the vicinity of N=82 shell more experimental challenge are required.

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Les amas des galaxies sont l’une des plus grandes structures liées gravitationnellement de l’univers. Leur dynamique est complexe et bien que plusieurs études multi-longueur d’onde ont été effectuées depuis la fin du 20ème siècle, il persiste plusieurs incertitudes sur les subtilités de leur dynamique. À ce jour, le consensus scientifique est que les trous noirs supermassifs actifs au centre des amas ont un impact important sur l’évolution de ces structures. Le trou noir central agit comme centre gravitationnel, mais lorsque ce trou noir est actif, son rôle ne se limite pas seulement à son impact gravitationnel. D’une part, les trous noirs actifs ont un rôle crucial dans l’émission thermique des amas. En effet, les jets radio influencent l’émission rayons-X des amas en poussant mécaniquement le milieu intra-amas qui émet en rayons-X via l’émission Bremsstrahlung. Ce phénomène engendre la formation de cavités rayons-X qui constituent une preuve de la rétroaction énergétique du trou noir sur l’ensemble de l’amas. Un tel phénomène est nécessaire afin d’expliquer les résultats observationnels qui témoignent d’un refroidissement moins important que prédit théoriquement au centre des amas à cœur froid. D’autre part, il existe de plus en plus d’études qui supportent l’hypothèse que les trous noirs actifs ont un rôle dans la (ré-)accélération de particules relativistes responsables de l’émission synchrotron au cœur des amas à cœur froid. Ces structures appelées mini-halos sont typiquement diffuses en radio et donc difficiles à détecter. Dans ce mémoire, nous étudierons en détail l’émission radio de l’amas de galaxies massif à cœur froid MS 0735.6+7421 (z = 0.216). Cet amas est unique puisqu’il possède les jets radio les plus énergétiques détectés au centre d’un amas à cœur froid. Il s’agit donc d’un exemple de trou noir actif parmi les plus extrêmes connus. Cet objet constitue ainsi une cible parfaite afin d’étudier le lien qui unit la rétroaction du trou noir actif central et l’émission synchrotron au centre des amas à cœur froid. Pour réaliser cette étude, nous avons effectué une analyse radio exhaustive de MS 0735.6+7421 à l’aide de données acquises sur le Karl G. Jansky Very Large Array. Cette analyse a permis de détecter une nouvelle structure radio diffuse jamais détectée auparavant. Cette nouvelle structure possède une puissance radio à 1.4 GHz qui concorde avec celles des mini-halos les plus lumineux. Le résultat principal de notre étude supporte donc l’hypothèse selon laquelle il existe un lien fondamental entre la rétroaction du trou noir actif central et la formation de mini-halos au centre des amas à cœur froid. / Galaxy clusters are one of the largest gravitationally bound structures in the universe. They exhibit complex dynamics and even though several multi-wavelength studies have been conducted since the end of the 20th century, there are still a lot of uncertainties concerning their evolution. To this day, the scientific consensus is that the active supermassive black hole at the center of the cluster has a profound impact on the cluster’s evolution. Indeed, the central supermassive black hole has a substantial gravitational impact, but when the black hole actively accretes material, its role goes beyond its gravitational influence. Active supermassive black holes have a crucial role in terms of the thermal emission in clusters. Indeed, the radio jets influence the X-ray emission of clusters by mechanically pushing the intracluster medium which emits in X-ray via Bremsstrahlung emission. This leads to the formation of X-ray cavities which are proof of the energetic feedback of the central supermassive black hole on the cluster. Such a phenomenon is required to reconcile the observational results that report less cooling at the center of cool core clusters than what is theoretically predicted. Moreover, there are more and more studies that support the hypothesis that active supermassive black holes have a crucial role in the (re-)acceleration of seed particles responsible for synchrotron emission at the center of cool core clusters. These structures are named mini-halos and are usually difficult to detect because they are diffuse. In this Master’s thesis, we will study the radio emission of the massive cool core galaxy cluster MS 0735.6+7421 (z = 0.216). This cluster is unique because it exhibits the most powerful radio jets ever detected at the center of a cool core cluster. It thus contains one of the most powerful active supermassive black holes known. This object is a perfect target to study the link between active black hole feedback and synchrotron emission in cool core clusters. To conduct this study, we performed a radio analysis of MS 0735.6+7421 with new data obtained with the Karl G. Jansky Very Large Array. This analysis led to the discovery of an extended diffuse radio structure. This newly detected structure has a radio power at 1.4 GHz that matches the most luminous mini-halos known in the literature. The principal result of our study argues in favor of the hypothesis that there is a fundamental link between active black hole feedback and the formation of mini-halos at the center of cool core clusters.