Les réactions (p, gamma) et (p, alpha) jouent un rôle déterminant lors de la combustion thermonucléaire de l'hydrogène dans les étoiles. Au cours de phénomènes violents, comme l'explosion des noyaux, ces réactions peuvent impliquer des noyaux radioactifs dans le voie d'entrée. Dans le but de mieux comprendre et de pouvoir simuler ce type d'évènement, des données fiables concernant ces réactions sont indispensables. Or l'étude expérimentale des réactions impliquant des noyaux instables requiert souvent l'utilisation de faisceaux d'ions radioactifs. De tels faisceaux sont disponibles depuis une dizaine d'années à Louvain-la-Neuve. Leur application à la mesure de sections efficaces de réactions d'intérêt astrophysique a nécessité le développement de méthodes expérimentales adaptées. Ce travail présente les conséquences de l'utilisation d'un faisceau d'ions lourds sur une cible de noyaux légers, qui est la caractéristique définissant la cinématique inverse. Un programme de simulation a été développé dans un but de reproduire la forme des spectres de produits d'une réaction donnée en tenant compte des pertes d'énergie et du straggling des ions dans la cible. L'étude de la réaction 18F(p, alpha) aux énergies de collision comprises entre 270 et 730 keV est décrite en détail. Deux résonances sont observées dans cet intervalle et leurs énergies et forces respectives sont mesurées. L'analyse de la diffusion résonante 19F(p,p)18F permet de compléter et préciser la mesure des paramètres de la résonance supérieure, et notamment de déterminer son spin. Les implications de cette mesure pour l'astrophysique sont ensuite évoquées. Enfin, un projet de séparateur de recul destiné à l'étude des réactions (p, gamma) est brièvement présenté.

Les réactions (p, gamma) et (p, alpha) jouent un rôle déterminant lors de la combustion thermonucléaire de l'hydrogène dans les étoiles. Au cours de phénomènes violents, comme l'explosion des noyaux, ces réactions peuvent impliquer des noyaux radioactifs dans le voie d'entrée. Dans le but de mieux comprendre et de pouvoir simuler ce type d'évènement, des données fiables concernant ces réactions sont indispensables. Or l'étude expérimentale des réactions impliquant des noyaux instables requiert souvent l'utilisation de faisceaux d'ions radioactifs. De tels faisceaux sont disponibles depuis une dizaine d'années à Louvain-la-Neuve. Leur application à la mesure de sections efficaces de réactions d'intérêt astrophysique a nécessité le développement de méthodes expérimentales adaptées. Ce travail présente les conséquences de l'utilisation d'un faisceau d'ions lourds sur une cible de noyaux légers, qui est la caractéristique définissant la cinématique inverse. Un programme de simulation a été développé dans un but de reproduire la forme des spectres de produits d'une réaction donnée en tenant compte des pertes d'énergie et du straggling des ions dans la cible. L'étude de la réaction 18F(p, alpha) aux énergies de collision comprises entre 270 et 730 keV est décrite en détail. Deux résonances sont observées dans cet intervalle et leurs énergies et forces respectives sont mesurées. L'analyse de la diffusion résonante 19F(p,p)18F permet de compléter et préciser la mesure des paramètres de la résonance supérieure, et notamment de déterminer son spin. Les implications de cette mesure pour l'astrophysique sont ensuite évoquées. Enfin, un projet de séparateur de recul destiné à l'étude des réactions (p, gamma) est brièvement présenté.

À l'extrémité du spectre électromagnétique observé, l'astrophysique gamma étudie les traces des phénomènes les plus violents de notre univers. Grâce aux instruments toujours plus perfectionnés, la recherche dans cette branche de l'astronomie est entrée dans un âge d'or, où les résultats quantitatifs et prédictifs ont succédé aux découvertes pionnières. Néanmoins, les techniques actuellement utilisées semblent avoir atteint leur limites avec la dernière génération de satellites d'observation. De nouveaux instruments gamma doivent donc être développés afin d'atteindre les résolutions angulaires et les sensibilités nécessaires à la confrontation des observations avec les prédictions théoriques. <br />Afin de franchir cette nouvelle étape, la focalisation des rayonnements gamma offre une voie aujourd'hui prometteuse. Dans cette optique, le projet CLAIRE a pour objectif de démontrer la faisabilité d'une lentille gamma pour l'astrophysique nucléaire, ainsi que de quantifier les performances d'un tel instrument et les comparer aux principes théoriques.<br />À partir des lois de la diffraction des rayons dans les cristaux, une lentille a donc été développée et mise au point au CESR. Cette intrument, focalisant une bande énergétique de quelques keV centrée sur 170 keV, est constituée d'environ 560 cristaux de germanium disposés sur 8 anneaux concentriques, dont le réglage en laboratoire a nécessité la mise en place de procédures et systèmes spécifiques. D'autre part, les mesures récoltées lors de ce réglage ont permis de déterminer différents paramètres cristallins, servant ensuite d'initialisation aux simulations numériques.<br />La validité du principe de lentille gamma a alors été testée par des mesures au sol ainsi que par une observation effectuée sur la nébuleuse du Crabe sous ballon stratosphérique. Les mesures sol ont permis de déterminer l'efficacité de diffraction de la lentille ainsi que sa réponse hors axe. Ces résultats valident les principes à la base de la lentille gamma. <br />D'autre part, le 14 juin 2001, la lentille gamma a été embarquée sous ballon stratosphérique, à 41 km d'altitude. Suite au traitement des données, le signal diffracté a pu être mis en évidence avec un niveau de confiance de 3 sigmas, correspondant à une détection d'environ 33 photons pendant une observation effective d'1h12.<br />Les différentes expériences, tant au sol que pendant le vol stratosphérique, s'accordent sur une efficacité de 10% à 170 keV. Conformes aux prédictions, ces résultats valident le concept de lentille pour l'astrophysique et ouvrent la voie au développement d'un instrument spatial.

L'astrophysique gamma nucléaire, situé à l'extrémité du spectre électromagnétique, est un domaine très riche scientifiquement. Il contient l'information capable, entre autres, de révéler la nucléosynthèse des éléments lourds au sein des supernovae ou l'origine de l'antimatière dans la galaxie. Ce domaine est longtemps resté inaccessible jusqu'aux années 60 à cause de l'absorption de l'atmosphère dans cette gamme d'énergies. Les observations sont ensuite restées handicapées par le rayonnement cosmique, qui noie le faible signal des sources sous un intense bruit de fond. De plus, l'énergie des photons gamma rend inefficaces les techniques classiques de focalisation, rendant plus complexe le développement des instruments d'observation. Malgré toutes ces difficultés, des observatoires comme CGRO et INTEGRAL ont réussi à révolutionner l'astrophysique nucléaire, grâce à l'utilisation de télescope Compton et de masques codés. Toutefois, ces techniques semblent aujourd'hui atteindre leurs limites, où des instruments plus grands ne sont pas forcément plus performants. Depuis une quinzaine d'années, une technique innovante est développée au CESR, capable d'améliorer la sensibilité de détection par un facteur 10-100, par rapport aux instruments existants. Cette technique nommée lentille de Laue, et dont le principe a été démontré par la mission ballon CLAIRE, est capable de concentrer les rayonnements gamma nucléaires à l'aide de la diffraction de Bragg, au sein de cristaux répartis en anneaux concentriques. Mon travail a consisté à poursuivre le développement de la lentille de Laue en améliorant et en validant les briques technologiques nécessaire pour qu'elle soit utilisée sur un observatoire spatial. La première partie de mon travail de thèse a consisté à améliorer les performances des cristaux diffractant, qui constituent le cœur de la lentille. Ces améliorations ont nécessité de modéliser et comparer les capacités de diffraction d'un grand nombre de cristaux, puis de confirmer les performances des meilleurs candidats au cours de session de mesures sur des faisceaux X-gamma. Ces mesures ont été effectuées au synchrotron européen de Grenoble (ESRF) et au réacteur nucléaire scientifique de l'ILL. Elles ont permis, entre autres, de mettre en avant les excellentes performances des cristaux d'or et d'argent. La seconde partie de mon travail a consisté à concevoir, réaliser et tester un prototype de segment de lentille spatialisable, en collaboration avec le CNES et Thales Alenia Space. Ce prototype a permis de valider les procédés de fixation et d'orientation des cristaux et de s'assurer qu'il résiste aux tests de vibrations et de cyclage thermique.

Des positrons s'annihilent dans les régions centrales de notre Galaxie. Ce fait est établi depuis la détection d'une forte émission de la raie à 511 keV en direction du centre Galactique. Cette raie gamma est émise lors de l'annihilation de positrons avec des électrons. Grâce à SPI, le spectro-imageur de l'observatoire spatial INTEGRAL, nous pouvons maintenant caractériser précisément cette raie d'émission. <br />Cette thèse présente une étude de l'émission d'annihilation des positrons basée sur la modélisation des interactions entre les positrons et les différentes composantes du milieu interstellaire. Les modèles présentés s'appuient sur les récents développements de nos connaissances des caractéristiques du milieu interstellaire dans les régions centrales de la Galaxie, où la majorité des positrons semblent s'annihiler, et la physique des positrons (production, propagation, annihilation). Afin d'obtenir des contraintes sur les sources des positrons et les sites d'annihilation, les résultats des modèles sont comparés aux données fournies par SPI.

Depuis les débuts de l'astrophysique nucléaire, les découvertes ont toujours été liées à des progrès instrumentaux. Cela est particulièrement vrai dans le domaine X-durs / gamma mous où l'intense bruit de fond induit dans les détecteurs par les rayons cosmiques et les ceintures de van Allen, associé à la faible section efficace d'interaction des rayonnements avec les matériaux du détecteur limitent la sensibilité des télescopes. Il semble aujourd'hui que la technologie des télescopes à masque codés arrive à ses limites, avec les deux instruments à bord d'INTEGRAL. Comment dans ces conditions continuer à faire des découvertes? De nombreuses équipes développent actuellement des télescopes Compton de deuxième génération qui semblent pouvoir apporter une partie de la réponse. Au CESR, une option complémentaire est développée depuis quelques années, réaliser une lentille focalisant les rayons gamma de faible énergie. <br /><br />Les lentilles de Laue qui ont été étudiées focalisent les rayonnements de la bande des rayons gamma mous (100 keV – 1 MeV) par le biais de la diffraction de Bragg dans le volume de cristaux. La focale associée à une telle lentille est de l'ordre de 100 m, ce qui nécessite un vol en formation pour pouvoir réaliser un télescope spatial. L'avantage de ce concept est de concentrer les rayons gamma depuis une large surface de collection vers un détecteur de faible volume, augmentant ainsi le rapport signal sur bruit significativement par rapport aux instruments actuellement en vol, et donc permettant d'atteindre une sensibilité sans précédent dans cette bande d'énergie.<br /><br />La faisabilité du concept ayant précédemment été démontrée par le projet CLAIRE, mon travail de thèse a consisté à faire évoluer ce premier prototype vers un concept de mission exploitable scientifiquement. Je me suis principalement attaché à deux aspects : D'une part, la modélisation de la lentille, avec le développement d'un code de simulation rapide (non Monte-Carlo) qui a par la suite été la base de nombreux outils d'optimisation du design et d'évaluation des performances en terme de surface efficace, champs de vue, et sensibilité. <br /><br />L'autre partie de mon travail a consisté à trouver et caractériser des cristaux potentiellement intéressants pour la réalisation d'une lentille de Laue. Des cristaux de cuivre mosaïque, de germanium mosaïque, des alliages de silicium et germanium avec un gradient de concentration et des empilements de wafers de silicium et de germanium ont été mesurés sur différentes installations incluant le synchrotron européen de Grenoble (ESRF) ainsi que l'instrument GAMS 4 de l'ILL. Ces mesures m'ont permis de dresser l'état de l'art des cristaux actuellement disponibles et utilisables pour une lentille gamma. <br /><br />Ces travaux ont été appliqués à la conception et l'évaluation des performances des missions MAX et Gamma Ray Imager respectivement proposées au CNES et à l'agence spatiale Européenne.

L'origine des positrons galactiques reste un des sujets les plus controversés de l'Astrophysique des hautes énergies depuis la découverte de la raie d'annihilation électron-positron en provenance du centre galactique à la fin des années 1970. L'étude de la raie d'annihilation à 511 keV est actuellement un des objectifs majeurs de SPI : le spectromètre d'INTEGRAL.<br />Cette thèse s'ouvre sur l'étude de la partie centrale de SPI: son plan de détection. La procédure de calibration en énergie ainsi que l'étude de la dégradation des détecteurs sont reportées. Par la suite, une étude approfondie du bruit de fond instrumental permet d'utiliser SPI dans les meilleures conditions. Le traitement des données aboutit alors à des cartes du ciel et des spectres avec une précision inégalée. Pour finir, les contributions des diverses sources potentielles de positrons galactiques sont confrontées aux résultats obtenus.

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.

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Le 60Fe présente un intérêt particulier en astrophysique nucléaire. En effet, la récente observation de ses raies gamma caractéristiques par les satellites RHESSI et INTEGRAL permet d'accéder au flux total de 60Fe intégré sur toute la Galaxie. De plus, l'observation d'un excès de 60Ni (noyau-fils du 60Fe) dans les grains pré-solaires fournit des contraintes sur les conditions de formation du système solaire primitif.Cependant, les sections efficaces de certaines réactions intervenant dans la nucléosynthèse du 60Fe et incluses dans les modèles stellaires présentent encore des incertitudes. C'est le cas notamment de la réaction 60Fe(n, gamma) 61Fe qui est responsable de la destruction du 60Fe. La section efficace totale de cette réaction peut être divisée en deux parties : la composante directe, impliquant les états situés sous le seuil de séparation neutron du 61Fe, et la composante résonante.Nous avons amélioré les connaissances spectroscopiques du 61Fe afin d'évaluer la contribution de la capture directe au taux de la réaction 60Fe(n, gamma)61Fe. Pour cela, nous avons étudié la réaction 60Fe(n, gamma) 61Fe par la réaction de transfert d(60Fe, p gamma)61Fe à l'aide du dispositif expérimental CATS/MUST2/EXOGAM sur la ligne LISE au GANIL. L'analyse en DWBA des distributions angulaires expérimentales des protons a permis d'extraire les moments angulaires et les facteurs spectroscopiques de différents états du 61Fe identifiés et peuplés sous le seuil de séparation neutron. Une comparaison des résultats expérimentaux obtenus pour le 61Fe avec ceux de noyaux similaires et avec des calculs modèle en couches a également été effectuée.