Dans les milieux astrophysiques explosifs tels que les novae ou les sursauts X, la densité d'hydrogène et la température sont suffisamment grandes pour que le temps entre deux réactions impliquant un proton soit plus court que le temps de vie de certains ions radioactifs. La connaissance de la section efficace des réactions de capture d’un proton par un ion radioactif est un des ingrédients important permettant la modélisation de tels milieux. Dans ce travail, un nouveau dispositif expérimental permettant d'étudier la force de résonance de réactions (p,gamma) en cinématique inverse est présenté. Ce dispositif, baptisé ARES (Astrophysical REcoil Separator), a été d’abord caractérisé à l'aide de l'étude de la réaction 19F(p,gamma)20Ne et plus particulièrement de la mesure de la force de la résonance bien connue à 635 keV au dessus du seuil 19F+p. De plus, la simulation de cette expérience est en accord avec les mesures effectuées. Une première mesure de force de résonance d'une réaction impliquant un faisceau d'ions radioactifs est ensuite présentée. Il s'agit de la réaction 19Ne(p,gamma)20Na et plus particulièrement de la résonance à 448 keV au dessus du seuil 19Ne+p. Une limite supérieure de 15.2 meV avec un niveau de confiance de 90% est obtenue. Cette limite supérieure améliore légèrement les résultats de mesures antérieures. / In explosive astrophysical environments such as novae or X-ray bursts, the temperature and the hydrogen density are so large that the time between two reactions involving protons is smaller than the live time of radioactive ions. The cross section of such reactions is an important ingredient of the modeling of such environments. In this work, a new experimental device, allowing the study of resonance strength of (p,gamma) reactions, is presented. This setup, called ARES (Astrophysical REcoil Separator), is first characterized using the study of the well known reaction, 19F(p,gamma)20Ne and more precisely the measurement of the resonance strength of the 635 keV level above the 19F+p threshold. The simulation of this experiment is found in good agreement with the measurement. Then the first resonance strength measurement of a reaction involving radioactive ions beams is presented, i.e. the resonance strength of the 448 keV level above the 19Ne+p threshold in the 19Ne(p,gamma)20Na reaction. An upper limit of 15.2 meV with a confidence level of 90% is obtained. This upper limit improves slightly the results of previous measurements.

L'exoplanétologie est une science jeune qui n'a véritablement démarré qu'en 1995 avec la découverte d'une exoplanète géante en orbite rapprochée autour de l'étoile solaire 51 Pegasi. Mes premières recherches dans de domaine datent de 1999 et concernent la mission spatiale Corot qui a conduit depuis 2006 à la détection de plus d'une trentaine de nouvelles exoplanètes très diverses. J'ai pleinement participé à l'aventure de Corot, en commençant par l'estimation du nombre de planètes détectables de 1999 à 2003, en poursuivant par la recherche et la caractérisation des signaux d'éclipses partielles, ou transits, lorsque les données furent disponibles à partir de 2007, pour finir par la mesure des propriétés physiques et orbitales des exoplanètes détectées, notamment Corot-7b en 2009, la première exoplanète rocheuse au rayon et à la masse mesurés, et Corot-8b en 2010, un mini-saturne dense. Je travaille actuellement au calcul de la probabilité de la nature planétaire de tous les signaux de transits détectés par la mission. Mes autres travaux de recherche concernent deux techniques de haute résolution angulaire pour la détection directe d'exoplanètes : l'interférométrie à longue base dans l'infrarouge et la coronographie dans le visible. En interférométrie, j'ai contribué à la précision de l'étalonnage des instruments en compilant deux catalogues d'étoiles-étalons, j'ai mesuré les propriétés d'un prototype de fibre monomode dans l'infrarouge moyen, et j'ai observé des étoiles naines, géantes et doubles. Mon résultat majeur est la détection directe du compagnon faible de l'étoile Theta Draconis. Enfin, en coronographie, j'ai développé en 2006 une méthode de correction de tavelures à l'aide d'un miroir déformable dans le cadre du projet Terrestrial Planet Finder Coronagraph de la Nasa. En cas de sélection du projet Echo par l'Esa en février 2014, mes recherches futures pourraient concerner la spectrométrie par transmission de l'atmosphère d'exoplanètes à courte période.

Ces dernières années, une série d' expériences utilisant des sources naturelles et artificielles de neutrinos ont prouvé que ces particules oscillent; la mesure des paramètres de leur matrice de mélange est en cours et elle guide la conception de futures appareillages et expériences. Théoriquement, cette découverte prouve que les neutrinos sont massives et qu' au moins une extension minimale du Modèle Standard de la physique des particules est nécessaire. Nous décrivons quelques conséquences que cette nouvelle connaissance a sur des systèmes cosmologiques et astrophysiques. En particulier, nous discutons: i) les implications pour les propriétés du fond de neutrinos cosmiques, à la fois dans le scénario minimal et dans certaines extensions non standard; ii) les contraintes cosmologiques actuelles et futures sur la durée de vie des neutrinos; iii) les implications fascinantes de la non-linéairité due à l' auto-réfraction dans l' évolution de la saveur des flux de neutrinos émis par la proto-étoile à neutrons produite lors d' un phénomène de supernova à effondrement de coeur. Enfin, nous décrivons certaines des orientations de recherche possibles pour les années à venir.

Ce manuscrit rassemble une série de travaux observationnels et phénoménologiques relatifs à des objets compacts variables du centre de notre Galaxie, à savoir le trou noir supermassif central, Sagittarius A*, et des étoiles à neutrons hébergées par des sursauteurs X. La première partie traite de la source Sgr A*, sujette à des éruptions quotidiennes, dont les mécanismes déclencheurs et les processus de rayonnement sont encore inconnus. Cette activité éruptive a été sondée par l'intermédiaire de plusieurs vastes campagnes d'observations multi-longueurs d'onde (en rayons gamma, rayons X, infrarouge et submillimétrique) étalées entre 2007 et 2009. Des données recueillies simultanément par les instruments XMM-Newton/EPIC, INTEGRAL/ISGRI+JEM-X, Fermi/LAT, VLT/NACO+VISIR et APEX/LABOCA, lors de plusieurs nouvelles éruptions majeures, ont ainsi permis de caractériser en détail le comportement spectro-temporelle de ces dernières et de contraindre les modèles d'émissions non-thermiques du milieu radiatif (synchrotron, Compton inverse, plasmoïde en expansion). Dans un second temps, une vingtaine de sursauts X de type I en provenance de deux binaires X de faible masse, transitoires, du noyau Galactique, GRS 1741.9-2853 et AX J1745.6-2901, ont été examinés à travers les données de différents satellites X de basse énergie (2-30 keV). Ces observations ont été discutées dans le cadre théorique, relativement bien établi, d'explosions thermonucléaires d'un mélange hydrogène-hélium, amassé à la surface d'étoiles à neutrons accrétantes.

Cette thèse présente un travail sur la détermination des paramètres cosmologiques, décrivant le contenu énergétique de l'Univers et sa courbure, à partir des données actuelles de supernovæ (UNION), du fond diffus cosmologique (WMAP) et des oscillations acoustiques de baryons (SDSS). L'observation de supernovæ de type Ia a mis en 'évidence l'accélération de l'expansion de l'Univers souvent expliquée par une énergie noire, de nature inconnue. Dans ce cadre, nous avons d'abord réalisé une analyse combinée de ces trois sondes qui montre que les données sont compatibles avec le modèle ¤CDM. A l'aide de simulations, nous avons étudiée en détail les diverses hypothèse souvent utilisées pour extraire les paramétres cosmologiques. En particulier, la dégénérescence géométrique implique souvent de supposer la platitude. Nous avons 'étudiée en détail le biais induit par cette hypothèse. Nous avons conclu qu'un univers courbe d'énergie noire dynamique peut être interprété comme un univers plat avec une constante cosmologique.

Le prochain défi de la cosmologie observationnelle est la mesure et la caractérisation précise des modes B, signatures des ondes gravitationnelles primordiales dans les anisotropies polarisées du Fond Diffus Cosmologique (FDC ou CMB pour Cosmic Microwave Background). La détection des ondes gravitationnelles provenant de l'inflation (une phase d'expansion exponentielle aux tous premiers instants après le Big Bang) serait une découverte majeure pour la cosmologie et pour la physique fondamentale. L'amplitude du mode B étant fixée par l'énergie caractéristique de l'inflation, cette mesure nous donnerait immédiatement l'échelle d'énergie associée à cette physique, peut-être liée à la grande unification des interactions. Le signal des modes B primordiaux est cependant au moins trois ordres de grandeur inférieur aux anisotropies en température. Atteindre la physique sous-jacente aux modes B via une caractérisation du spectre de puissance angulaire conduit à définir une expérience dédiée pour la mesure de la polarisation du CMB avec une sensibilité en polarisation limitée uniquement par les limites astrophysiques. Ceci nécessite une grande sensibilité de détection mais également une immunité accrue aux effets parasites instrumentaux susceptibles de masquer le signal cosmologique. Ces deux caractéristiques sont précisément au centre de deux programmes R&D qui sont DCMB (Développement Concerté de Matrices de Bolomètres) et BSD (B-mode Superconducting Detectors) auxquels mon équipe d'instrumentation millimétrique participe activement. <br />Dans le cadre de la collaboration nationale DCMB, nous avons pour objectif de développer de véritables matrices de bolomètres supraconducteurs incluant le système d'acquisition multiplexé dans un ensemble cryo-mécanique cohérent. L'immunité aux effets parasites instrumentaux pour les futurs instruments de mesure de la polarisation du CMB passe par le développement d'architectures de détection évoluée s'appuyant sur la technologie planaire supraconductrice Niobium et n'exigeant pas une parfaite similitude des détecteurs. La collaboration BSD que j'ai initiée en 2007 entre plusieurs laboratoires d'Ile de France développe actuellement les composants hyperfréquences de base pour la réalisation de telles architectures : antennes, déphaseurs, filtres, coupleurs de puissance. Ces composants permettront de réaliser un démonstrateur d'architecture de détection évoluée d'ici 2010. <br />Notre objectif est d'utiliser dans un premier temps ces développements pour des observations au sol en préparation aux projets spatiaux. Dans le cadre de la collaboration BRAIN-MBI entre l'Italie, le Royaume-Uni, les Etats-Unis et la France, nous développons actuellement un instrument d'un type nouveau basé sur l'interférométrie bolométrique pour la recherche des modes B de polarisation du CMB. Cet instrument combine ainsi les avantages de l'interférométrie pour la mesure des anisotropies du CMB avec la sensibilité des bolomètres. Nous prévoyons l'installation d'un premier module d'ici fin 2010 sur la station Concordia en Antarctique.

Mon travail s'inscrit dans un contexte de préparation aux futures expériences haute-sensibilité et haute-résolution sensibles à la polarisation du fond diffus cosmologique et à l'effet de lentilles gravitationnelles. Le premier chapître se veut une introduction à la polarisation du rayonnement de fond et aux expériences à venir dédiées à sa mesure. Ensuite, je présente l'expérience Planck et décris la chaîne de simulations rapides de signaux temporels que j'ai développé pour faciliter l'élaboration et le test des algorythmes d'analyse des données Planck. Les deux derniers chapitres sont consacrés à l'effet de lentille gravitationnelle sur le rayonnement de fond. Tout d'abord, j'évalue la capacité des futures expériences précédemment décrites à mesurer le spectre de puissance des Grandes Structures à partir d'une estimation de l'effet de lentille. J'en déduis leur sensibilité à une masse non-nulle des neutrinos -- suggérée par les expériences d'oscillation -- supprimant les petites échelles angulaires au sein du spectre angulaire de la matière. Enfin, je développe une méthode pour caractériser les effets délétères des avant-plans sur l'estimation de l'effet de lentille. Je valide cette méthode, mettant en oeuvre le meilleur estimateur linéaire de lentilles décrit dans la littérature, grâce à une simulation numérique de cartes du rayonnement de fond diffus affecté par les lentilles et de l'émission des sources radio extra-galactiques. Je trouve que la présence de sources amoindris la sensibilité des expériences au potentiel gravitationnel de la Matière Noire et entraîne la surestimation de son spectre de puissance angulaire.

Une émission gamma à 511 keV est observée depuis le début des années 1970 dans la direction du centre Galactique. Cette émission est la signature de l'annihilation d'électrons avec des positrons qui sont les antiparticules des électrons. Malheureusement, l'origine de ces positrons galactiques reste à l'heure actuelle un mystère. De nombreuses sources de positrons ont été proposées mais elles présentent toutes des difficultés à expliquer cette émission d'annihilation galactique. Celle-ci possède une distribution spatiale particulière. Depuis 2002, le spectromètre SPI à bord de l'observatoire spatial INTEGRAL révèle une émission fortement concentrée dans le bulbe galactique et une faible émission en provenance du disque galactique. Cette distribution spatiale est totalement atypique car elle ne ressemble à aucune distribution galactique connue, que ce soit d'une population stellaire ou d'un gaz interstellaire. L'hypothèse selon laquelle les positrons s'annihilent à proximité de leur source (c.-à-d. que la distribution spatiale de l'émission d'annihilation est identique à la distribution spatiale des sources) a donc été remise en cause. Des études récentes semblent suggérer que les positrons pourraient se propager loin de leur source avant de s'annihiler. Ceci permettrait de résoudre éventuellement l'énigme sur l'origine des positrons galactiques. Cette thèse a été consacrée à modéliser la propagation puis l'annihilation des positrons dans la Galaxie, dans le but de comparer des modèles spatiaux de l'émission d'annihilation aux dernières données mesurées par SPI/INTEGRAL. Cette méthode nous permet en effet de poser des contraintes sur l'origine des positrons galactiques. Nous avons donc développé un code de simulation Monte Carlo de transport des positrons dans la Galaxie dans lequel nous avons implémenté toutes les connaissances théoriques et observationnelles de la physique des positrons (sources, modes de transport, pertes en énergie, modes d'annihilation) et du milieu interstellaire de la Galaxie (distributions du gaz interstellaire, champs magnétiques galactiques, structure des phases gazeuses). Dues aux incertitudes entourant de nombreux paramètres physiques (champs magnétique du halo galactique, structure des phases du milieu interstellaire, etc.), nous avons implémenté plusieurs modèles pouvant potentiellement rendre compte de ces paramètres. Ces paramétrages différents de la Galaxie nous ont ainsi permis d'estimer leur impact sur la propagation et l'émission d'annihilation des positrons. Nous avons appliqué ce code à l'étude des positrons émis par la décroissance β+ de l'26Al, du 44Ti et du 56Ni qui sont continûment produits dans la Galaxie au coeur des étoiles massives et des explosions de supernovae. Nous avons étudié ces sources car l'idée que celles-ci pourraient expliquer l'émission d'annihilation galactique est largement répandue depuis des décennies. Nous avons montré que, peu importe le paramétrage de la Galaxie, ces positrons permettent d'expliquer l'émission du disque mais pas la totalité de l'émission du bulbe. La raison est simple : ces positrons ne se propagent pas très loin de leur source avant de s'annihiler. Dans ce cadre, une source supplémentaire de positrons dans le bulbe est nécessaire pour rendre compte de la totalité de l'émission. Nous avons montré qu'une source transitoire de positrons (d'énergie ~MeV) située au centre de la Galaxie pourrait expliquer l'émission du bulbe.

Les effets Sunyaev-Zel'dovitch (SZ) correspondent à la diffusion inverse-Compton des photons du fond diffus cosmologique sur le gaz des amas de galaxies. Ce travail a visé à étudier l'ensemble des aspects des effets SZ cinétique et relativiste dans les données Planck. Pour ce faire, nous avons développé des filtres adaptés, conçus spécialement pour la détection des effets SZ. Ces filtres nous ont permis d'utiliser l'ensemble des longueurs d'onde de l'expérience de façon optimale. L'effet SZ cinétique est proportionnel à la vitesse radiale particulière des amas de galaxies. Nous avons donc pu étudier, grâce à cet effet SZ, les vitesses radiales particulières via des analyses individuelles, mais aussi statistiques. En particulier, il nous a permis d'effectuer les premières mesures de la vitesse moyenne des amas. Cette vitesse moyenne s'est avérée compatible avec zéro et constitue une vérification du principe cosmologique. Par ailleurs, nous avons étudié le dipôle des amas de galaxies, exclu les modèles inhomogènes d'Univers à un grand niveau de confiance et établi des limites supérieures sur la variance des vitesses des amas. L'effet SZ cinétique est aussi exploré au travers du moment moyen des paires de halos de galaxies. Les résultats obtenus ont montré une détection significative. Enfin, nous avons étudié l'effet SZ relativiste via sa dépendance à la température des amas. Nous avons montré en particulier son impact sur l'estimation de l'effet SZ cinétique.

Cette thèse est consacrée à l'étude des oscillations périodiques détectées lors des sursauts X des étoiles à neutrons, dans des binaires X de faible masse. Ces oscillations offrent un moyen de sonder l'intérieur de ces objets, en mesurant notamment leur masse et leur rayon, pour ainsi contraindre l'équation d'état de la matière dense. J'ai développé des méthodes de détection et d'analyse de ces signaux, de leurs propriétés temporelles et leur dépendance en énergie. J'ai analysé les oscillations détectées dans tous les sursauts X de type 1 (ainsi qu'un super-sursaut) de 3 étoiles à neutrons observées avec l'instrument Rossi X-ray Timing Explorer/Proportional Counter Array . Sur les courbes de lumière des sursauts, j'ai sélectionné les segments donnant la meilleure signification statistique, pour construire un catalogue de profils moyens d'oscillations. La forme des profils varie grandement d'un sursaut à un autre, pour une même source. Un grand nombre de paramètres peuvent affecter les oscillations. J'ai élaboré un modèle de tache chaude à la surface de l'étoile en rotation rapide pour caractériser l'émission du sursaut X, dans un espace-temps relativiste. En utilisant les chaînes de Markov Monte Carlo pour explorer efficacement un espace des paramètres conséquent, les ajustements sur un échantillon de sursauts ont démontré l'applicabilité du modèle. Par contre, les contraintes obtenues sur la masse et le rayon de l'étoile sont limitées par la qualité des données de l'instrument utilisé. Enfin, des simulations révèlent que des mesures précises sur les paramètres sont possibles en augmentant la surface collectrice des détecteurs, comme le proposent les observatoires X du futur.