La couronne solaire est la partie de l'atmosphère du Soleil qui s'étend de la photosphère (surface solaire d'où sont émis les photons) jusque dans le milieu interplanétaire. Sa compréhension relève d'un enjeu majeur car elle est à l'origine de phénomènes qui peuvent perturber les télécommunications, les êtres vivants et même le climat. L'instrument privilégié pour l'observer est le coronographe, système optique occultant le disque solaire au profit de la couronne, un million de fois moins intense. Ma thèse porte sur son étude, en particulier à travers les projets spatiaux :- SOLAR ORBITER, qui doit s'approcher du Soleil à 0.2 unité astronomique (distance Terre-Soleil), permettant ainsi une très haute résolution spatiale ;- SMESE, en coopération avec la Chine, qui étudiera la couronne dans l'infrarouge lointain ;- et ASPIICS, dont l'occulteur externe sera placé à 150 m de l'instrument imageur, permettant d'observer la couronne dans des conditions proches d'une éclipse solaire naturelle.Le premier aspect abordé est la réjection de la lumière parasite instrumentale, dont l'optimisation est une des problématiques majeures en coronographie. Le second concerne les modes d'observation par imagerie en lumière blanche, imagerie monochromatique, et interférométrie, en particulier le Fabry Perot. Le développement et l'amélioration de ces techniques permettra des avancées considérables en terme de résolution et l'accès à la couronne toujours plus proche de la surface du Soleil, lieu encore mal connu où l'activité solaire prend naissance. / The solar corona is the part of the Sun's atmosphere that extends from the photosphere (solar surface where the photons are emitted) into the interplanetary medium. Its understanding is a major issue because it is the source of phenomena that can disrupt telecommunications, living beings and even climate. The most appropriate tool to observe it is the coronagraph, an optical system obscuring the solar disk in favor of the corona, a million times fainter. My thesis deals with its review, particularly through the spaceprojects :- Solar Orbiter, which will approach the Sun at 0.2 astronomical unit (distance between Earth and Sun), allowing a very high spatial resolution ;- SMESE, in cooperation with China, which should study the corona in the Lymanalpha (and far infrared) ;- and ASPIICS, which will observe the corona in conditions close to a natural solar eclipse, with its occulting disk located at 150 m from the imaging instrument.The first point tackled is the rejection of instrumental stray light, whose optimization is one of the major problems in coronagraphy. The second concerns the methods of observation and imaging in white light, monochromatic imaging, and interferometry, in particular the Fabry Perot. The development and improvement of these techniques will allow considerable progress in terms of resolution and access to the corona ever closer to the Sun's surface, the location yet little known where the solar activity originates.

Je présente dans mon travail de thèse une étude complète du coronographe à quatre quadrants proposé par D. Rouan (2000). Ce nouveau coronographe offre des performances de réjection théoriques extrêmement importantes (>10^6). Ces performances ouvrent des possibilités de détection d'exo-planètes autour des étoiles proches. Les premiers résultats en laboratoire, ont donné des taux d'atténuation de l'étoile centrale supérieurs à 90000\footnote(: le résumée de la thèse indique 44000, mais une calibration fine de la densité employée nous donne 90000. ) sur le pic central. J'ai donc naturellement étudié toutes les utilisations possibles de ce coronographe au sol comme dans l'espace. En premier lieu, il peut être utilisé sur les télescopes au sol avec une optique adaptative à haut Strehl. Des simulations numériques seront présentées dans le cadre du projet ``Planet Finder'' de l'ESO pour la détection des naines brunes et des planètes géantes chaudes autour des étoiles les plus proches. Ensuite, je me suis intéressé à l'utilisation du 4Q sur l'instrument MIRI (Mid InfraRed Imager) du JWST, puis sur un interféromètre spatial (pour ``Terrestrial Planet Finder'') de la NASA. Néanmoins, un des problèmes majeurs du masque à 4 quadrants reste le chromatisme du déphasage de pi pour une utilisation en large bande dans le cadre de TPF. Je présenterai donc des solutions permettant d'achromatiser le coronographe.

La majorité des 500 exoplanètes détectées à l'heure actuelle ont été découvertes soit par vélocimétrie radiale, soit par photométrie de transits. L'imagerie directe de planètes extra-solaires peut cependant donner accès à une multitude d'informations nouvelles telles que leur position orbitale et leur spectre. Toutefois, de telles images sont difficiles à obtenir à cause de la faible séparation angulaire et du grand rapport de flux entre les planètes et leur étoile hôte. Pour ces deux raisons, l'imagerie directe d'exoplanètes s'est limitée jusqu'à aujourd'hui à des cas favorables de planètes géantes très lumineuses orbitant loin de leur étoile. Le présent travail vise à développer les capacités d'imagerie à haute dynamique avec un ou plusieurs télescopes pour la détection et la caractérisation de systèmes planétaires. Dans la première partie de ce manuscrit, nous étudions l'utilisation de télescopes terrestres assistés par l'optique adaptative pour la détection de planètes extra-solaires ainsi que de leur complémentarité avec les instruments spatiaux. Des résultats obtenus avec la Well-Corrected Subaperture du Mt. Palomar sur des systèmes multiples serrés sont présentés pour illustrer cette étude. La seconde partie de ce travail est dédiée à l'interférométrie stellaire et annulante. Tout d'abord, nous présentons une nouvelle technique de réduction de données pour l'interférométrie utilisant les distributions statistiques d'intentsité et de contraste afin d'améliorer de manière significative la précision des mesures interférométriques. Cette méthode est ensuite appliquée au Palomar Fiber Nuller afin de contraindre la présence de poussières et de compagnons dans l'environnement stellaire direct de Vega, et de mesurer plusieurs diamètres angulaires d'étoiles avec une très haute précision. Enfin, nous introduisons un relevé que nous menons actuellement avec l'instrument interférométrique AMBER au Very Large Telescope (Paranal, Chili) visant à détecter des compagnons sub-stellaires autour d'étoiles jeunes.

Depuis 1995, et la confirmation de la détection de la première planète extrasolaire, la détection directe et la caractérisation spectrale d'une exoplanète sont devenues l'un des challenges astronomiques actuels. Cependant, le fort contraste existant entre l'étoile et la planète, 10^9 dans le visible et 10^6 dans l'infrarouge thermique dans le cas d'une exoTerre ou d'une exoJupiter ainsi que la faible séparation entre les deux objets rendent cette détection directe difficile et requièrent des techniques et des instruments à la pointe de la technologie. Une solution à cette problématique est la coronographie. D'une manière générale, un coronographe est un instrument dont l'objectif est d'atténuer le flux de l'étoile centrale en diminuant la diffraction instrumentale J'ai étudié deux différents types de coronographes dans deux contextes totalement différents. J'ai tout d'abord étudié le coronographe de Lyot apodisé (ALC) destiné à l'instrument SPHERE (Spectro Polarimetric High contrast Exoplanet REsearch), instrument de seconde génération du VLT (Very Large Telescope) dédié à l'imagerie d'exoJupiter et dont la première lumière est prévue pour 2010. Je présente les différentes études relatives au développement de ce système coronographique menées lors de la post-phase A et la phase B de ce projet. Je me suis intéressé tout d'abord au composant novateur et important du coronographe de Lyot apodisé à savoir l'apodiseur, et, plus particulièrement, j'ai étudié par le calcul le chromatisme des propriétés optiques d'un apodiseur fabriqué par dépôt métallique d'un alliage d'Inconel sur un substrat de verre. Puis, afin de valider expérimentalement le concept et les procédés de fabrication retenus, j'ai ensuite caractérisé en laboratoire un premier prototype de coronographe de Lyot apodisé à 3λ/D sur le banc d'imagerie visible à très haute dynamique du laboratoire. J'ai ensuite participé aux études numériques de dimensionnement du prototype de l'ALC infrarouge susceptible d'être installé sur l'instrument. Je termine cette partie par la présentation des tests en laboratoire du prototype d'ALC infrarouge pour SPHERE, tests qui ont été réalisés sur le banc coronographique infrarouge du LESIA à l'Observatoire de Paris-Meudon. Le deuxième volet de ce manuscrit nous envoie dans un autre endroit particulier sur Terre sur un continent où les conditions atmosphériques sont quasi-spatiales : la station Concordia sur le plateau du Dôme C en Antarctique. C'est ici qu'a été implanté en décembre 2005, CORONA, le premier coronographe stellaire antarctique à couteaux de phase. Après une description de l'instrument et de ses motivations, je présente les tests en laboratoire du coronographe puis les résultats de la première lumière de l'instrument lors de la campagne d'été 2005 au Dôme C.

L'objectif de la mission spatiale Darwin de l'ESA est la détection directe, dans le domaine de l'infrarouge thermique, de planètes extra-solaires de type Terre autour d'étoiles proches et de rechercher des traces de vie dans l'atmosphère éventuelle via la spectroscopie.<br />L'un des points durs technologiques de réalisation de l'instrument est la maîtrise de l'interférométrie à frange noire, et en particulier la recombinaison de quatre ondes et l'introduction sur deux d'entre elles d'un déphasage de pi achromatique.<br />Ce manuscrit présente l'étude d'un système compact de recombinaison, répondant à ces deux exigences : la cascade de CIA.<br />Dans un premier temps, la contexte scientifique de la mission Darwin est décrit et l'état des lieux des avancées réalisées est dressé.<br />Dans un deuxième temps, le principe et l'étude de faisabilité de la cascade sont détaillés, comprenant l'analyse des contraintes que posent son application au mode coronographique de Darwin et l'établissement des spécifications instrumentales associées. L'apport d'un filtrage spatial des fronts d'onde est aussi étudié.<br />Dans un troisième temps, les technologies en développement, susceptibles d'apporter de nouvelles solutions aux obstacles technologiques rencontrés, et le projet GENIE, précurseur au sol de Darwin sont succinctement décrits.<br />Les spécifications instrumentales établies sont réalisables, à la vue des performances technologiques accessibles à ce jour. Au terme de l'étude, il apparaît donc que la cascade de CIA pourrait être une solution alternative au mode de recombinaison de la mission Darwin.

L'interférométrie annulante est une technique d'observation qui devrait permettre aux missions spatiales DARWIN (Agence Spatiale Eurpéeenne) ou TPF-I (NASA), de détecter et de caractériser spectralement l'atmosphère de planètes extra-solaires de type tellurique et de trouver d'éventuelles bio-signatures.<br /><br />Ce travail de thèse est une étude théorique et expérimentale de cette technique. Après une présentation du contexte astrophysique justifiant l'utilisation de tels instruments, ce manuscrit se focalise sur le problème de l'obtention expérimentale des niveaux d'extinction interférométrique requis pour la détection de planètes (10-5) ainsi que leur stabilisation (elle aussi indispensable à la détection de planètes).<br /><br />Un banc banc interférométrique : NULLTIMATE a été conçu pour la caractérisation expérimentale de déphaseurs achromatiques, l'un des composants optiques essentiels d'un interféromètre annulant. Cet interféromètre de laboratoire doit fonctionner dans la bande spectrale du futur instrument : 618 µm. Il a été conçu pour fonctionner à basse température. Il devrait permettre de caractériser quatre types de déphaseurs achromatiques différents, à la fois en mesurant des niveaux d'extinction élevés (de l'ordre de 10-5) et en mesurant le déphasage introduits par ces déphaseurs en fonction de la longueur d'onde. Ce banc pourra enfin être un bon laboratoire pour tester des techniques de stabilisation de l'extinction.

Depuis la découverte de la première exoplanète autour d'une étoile de la séquence principale en 1995, seule une poignée d'exoplanètes ont été détectées par imagerie directe du fait de la grande différence de contraste qui existe entre les étoiles et les planètes. L'instrument SPHERE pour le VLT fait partie d'une nouvelle génération d'instruments dédiés à la détection directe de planètes géantes gazeuses qui combine un système d'OA extrême et des coronographes de dernière génération pour allier haute résolution angulaire et haut contraste. IRDIS, le spectro-imageur différentiel de SPHERE, offre plusieurs modes d'observation dans le proche infrarouge, dont les deux principaux sont l'imagerie différentielle (DBI) et la spectroscopie longue fente (LSS). Durant ma thèse j'ai étudié au moyen de simulations numériques détaillées les performances des modes DBI et LSS pour la détection et la caractérisation des exoplanètes. En mode DBI j'ai utilisé les méthodes SDI et ADI pour éliminer les speckles qui limitent intrinsèquement les données, puis j'ai estimé les limites de détection et la précision photométrique de IRDIS en imagerie afin de déterminer une séquence de paires de filtres optimale pour la caractérisation des exoplanètes. En utilisant cette séquence, j'ai pu estimer les températures effectives des planètes qui seront effectivement caractérisables avec IRDIS. En mode LSS, j'ai développé une méthode d'analyse des données spécifique pour les spectres dominés par les speckles et j'ai étudié ses performances en détail pour la caractérisation des exoplanètes. Enfin, j'ai travaillé sur la stratégie d'observation à adopter pour la caractérisation des exoplanètes avec IRDIS au moyen de tests en aveugle en imagerie et en spectroscopie. Ces tests m'ont permis de confirmer les résultats obtenus dans le cadre du travail détaillé sur les modes DBI et LSS, et en particulier d'étudier la discrimination des contaminants stellaires dans les données de IRDIS.

L'environnement proche des étoiles jeunes de faible masse recèle une multitude de phénomènes physiques liés à la formation des étoiles. Ce mémoire de thèse présente un ensemble de travaux théoriques, expérimentaux et observationnels relatifs à ces phénomènes. Après une description des propriétés attribuées aux étoiles de type T Tauri, FU Orionis et Ae/Be de Herbig et plus particulièrement de leurs disques d'accrétion, j'aborde l'étude de la structure verticale de ces disques, issue du transfert de rayonnement et de l'équilibre hydrostatique. La dissipation d'énergie provient du frottement visqueux des particules du disque s'accrétant sur l'étoile, ainsi que de l'absorption du rayonnement stellaire. Il est montré que le rayonnement rasant de l'étoile sur le disque crée une << chromosphère >> . J'étudie par la suite la possibilité de détecter directement le milieu circumstellaire (disque, binarité, planètes, jets,...) grâce aux techniques à haute-résolution angulaire (optique adaptative et interférométrie). Je présente ensuite un prototype de coronographe à haute résolution spatiale que j'ai conçu, modélisé, construit et testé en vue de telles observations. Je décris finalement les observations de l'environnement du système stellaire jeune Z Canis Majoris que j'ai réalisées à la limite de la diffraction dans le proche infrarouge au télescope de 3.60 mètres de l'ESO. Elles montrent que cet objet est composé d'une binaire et d'une structure étendue en forme de disque, perpendiculaire au jet connu et éclairée non pas par la source centrale mais par le compagnon infrarouge.

L'étude de l'environnement circumstellaire des étoiles de la Séquence Principale concerne la plus grande partie des étoiles ;elle est en outre étroitement liée aux études connexes de la formation des étoiles et des systèmes planétaires. Cependant, l'approche observationnelle est rendue difficile par la très faible luminosité des milieux circumstellaires. Elle requiert donc une grande sensibilité ainsi qu'une haute résolution spatiale. D'une part, j'ai étudié l'applicabilité et l'efficacité de certains moyens observationnels pour cette étude. Cela m'a conduit en particulier à discuter les possibilités théoriques et réelles de la coronographie stellaire associée à l'optique adaptative, ainsi que celles de l'interférométrie optique et infrarouge. D'autre part, j'ai poursuivi l'étude d'environnements circumstellaires par de nouvelles observations. La spectroscopie tout d'abord a permis d'approfondir l'analyse de la composante circumstellaire gazeuse du prototype Beta Pictoris. En imagerie ensuite, à l'aide de la technique de coronographie avec optique adaptative, j'ai cherché à détecter la lumière diffusée par la poussière autour de cette étoile et d'autres candidats. Enfin, les observations sont interprétées pour améliorer notre connaissance de la distribution de matériau circumstellaire, ainsi que ses propriétés physiques et chimiques. Ces informations sont alors comparées à d'autres résultats récents, et placées dans une perspective évolutive sur les échelles de temps caractéristiques du système, à partir des résidus de nébuleuse proto-planétaire.

Depuis 1995, environ 350 exoplanètes ont été détectées mais seule une dizaine l'a été directement pour plusieurs raisons. D'abord, les projections de l'étoile hôte et de sa planète sur la sphère céleste sont très proches -- quelques fractions de secondes d'arc. Ceci impose un diamètre minimum pour le télescope et un système compensant les perturbations atmosphériques. Ensuite, le flux lumineux de l'étoile hôte est entre un million et dix milliards de fois plus fort que celui de la planète. Pour réduire ce flux stellaire sans affecter le flux planétaire, nous utilisons un coronographe dont les performances sont limitées par les défauts optiques qui doivent être compensés ou estimés. Pendant ma thèse, j'ai étudié sur des plans théoriques et expérimentaux deux techniques: le coronographe à quatre quadrants à étages multiples (MFQPM) pour atténuer le flux stellaire et la self coherent camera (SCC) qui minimise l'impact des aberrations optiques en utilisant l'incohérence entre lumières stellaires et planétaires. J'ai montré en laboratoire qu'un prototype non optimisé du MFQPM fournissait une extinction achromatique de l'étoile centrale de mille à dix milles entre 550 et 750nm. Puis, j'ai montré par simulations que la SCC s'associe aisément avec un coronographe de type Lyot et qu'en utilisant ses deux modes de fonctionnement -- analyseur de surface d'onde en plan focal et imagerie différentielle --, des planètes de type Terre pouvaient être détectées de l'espace sous des conditions réalistes. J'ai également mesuré un défaut réel de phase via la SCC sur le banc d'Imagerie Très Haute Dynamique que j'ai développé à l'Observatoire de Paris.