Cette thèse porte sur l'étude de divers modèles d'univers primordial et leur observabilité dans les anisotropies du rayonnement fossile. Dans la première partie sont exposées les équations d'évolution des perturbations cosmologiques. On y fait un rappel de la physique du rayonnement fossile, et l'influence des différents paramètres cosmologiques y est présentée. Les trois parties suivantes s'intéressent à différents scénarios d'univers primordial. La deuxième partie porte sur les scénarios à base de sources actives, dont font partie les défauts topologiques. Les différences majeures avec les scénarios inflationnaires y sont exposées. On y détaille notamment l'importance des effets non linéaires dans l'évolution des sources et de leurs interactions non gravitationnelles avec le reste de l'univers. La troisième partie porte sur les scénarios inflationnaires, et discute les hypothèses habituellement faites à propos de l'état des perturbations en fin d'inflation. L'accent est mis sur l'importance de la modélisation de ces conditions initiales pour pouvoir extraire des informations précises sur les paramètres cosmologiques à partir des observations des anisotropies du rayonnement fossile. Enfin, la quatrième partie traite des scénarios de quintessence, et notamment de l'influence de ce champ scalaire sur la dynamique des perturbations cosmologiques. Il est montré que ces modèles font des prédictions assez différentes des scénarios avec constante cosmologique.

Le paradigme cosmologique actuel s'appuie sur l'instabilite du modele de Friedman-Lemaitre vis-a-vis des inhomogeneites de densite d'energie, pour rendre compte de la formation des grandes structures de l'Univers, telles que nous les observons. Dans ce cadre, il a ete predit, puis observe, que ces necessaires inhomogeneites impriment sur un rayonnement fossile millimetrique (CMB), par ailleurs thermalise a 3K, homogene et isotrope, d'infimes variations de temperature. Par l'observation plus precise de telles anisotropies, de nombreuses expériences presentes ou a venir, telles ARCHEOPS, TopHat, ou PLANCK, esperent tester ce paradigme avec une precision sans precedent. Toutefois, les besoins inedits de ces experiences necessitent l'invention de nouvelles methodes d'analyse de donnees CMB. En reponse a certains de ces besoins, nous avons developpe au cours de notre these, une methode multi-grille originale de fabrication rapide de cartes de ces fluctuations de temperature a partir de donnees ordonnees en temps, une methode hierarchique de mesure du spectre de puissance angulaire de ces cartes, une modelisation analytique des effets de lobe instrumental, et un test original de detection d'une composante non-Gaussienne dans la distribution statistique de ces fluctuations. Par ailleurs, regardant ces inhomogeneites bien plus tardivement dans leur evolution, nous pouvons observer, entre autres grandes structures, des amas de galaxies. A ces objets, les plus massifs gravitationnellement lies aujourd'hui, nous nous sommes interesse dans un second temps. En particulier, nous avons construit un modele analytique permettant l'inclusion d'effets de chauffage non-gravitationnel, connus par leurs consequences observationnelles importantes. Enfin, nous avons presente une methode permettant une meilleure description du contenu baryonique de ces amas au moyen d'\emph(une analyse conjointe d'observations de distorsions gravitationnelles, de l'effet Sunyaev-Zel'dovich, et de l'emission X, ces deux derniers effets originant du gaz chaud contenu dans les amas.

Les systemes de raies d'absorption observes a haute resolution dans le spectre des quasars sont des outils puissants pour etudier le gaz baryonique dans l'Univers et son evolution. Tandis que les nuages de gaz diffus du milieu intergalactique, la foret Lyman-alpha, dominent la densite de masse des baryons a grand decalage spectral, les systemes d'absorption Lyman-alpha lorentziens de grandes densites de colonne en hydrogene neutre dominent la densite de masse du gaz neutre a tout decalage spectral. Ces derniers sont probablement associes a des etapes-cles de la formation et de l'evolution des galaxies. Dans cette these, je presente des travaux dont l'objectif est de mieux cerner les proprietes physiques et de contraindre la nature des systemes lorentziens. Apres une introduction et une revue detaillee de nos connaissances dans le domaine, je decris ma propre analyse des abondances chimiques et de la cinematique du gaz neutre a grand decalage spectral. Je fais ensuite le lien entre ces objets et l'identification optique des galaxies responsables de l'absorption a decalage spectral intermediaire en etudiant plus particulierement l'histoire nucleosynthetique du gaz et la possibilite de l'existence de poussieres a z_abs plus petit que 1.7. L'application des techniques de la spectroscopie integrale de champ m'a en outre permis de rechercher l'emission Lyman-alpha des regions de formation d'etoiles associees aux systemes lorentziens de decalages spectraux les plus grands, emission que j'interprete dans le cadre de plusieurs modelisations originales. La derniere partie de la these est dediee au projet d'etude de l'association de la foret Lyman-alpha avec les grandes structures et les halos galactiques de notre Univers local, et je presente dans ce contexte les resultats d'un releve efficace de quasars brillants situes a l'arriere-plan de l'amas de galaxies de Coma.

Ma thèse porte sur l'étude des anisotropies du fond diffus cosmologique dans le cadre de l'expérience Archeops. Archeops est une expérience dédiée à la mesure de ces anisotropies sur une large région d'échelle angulaire et embarquée sous un ballon stratosphérique. Cette expérience est préliminaire à la mission satellite Planck. Après avoir décrit le mode de formation des anistropies du fond diffus cosmologique et les connaissances sur notre Univers que l'on peut extraire de leurs propriétés, je décris l'expérience Archeops : ses instruments, ses capacités, ses objectifs scientifiques. Mon travail au sein de la collaboration Archeops est centré sur la soustraction des effets synchrones avec la rotation de la nacelle pour obtenir un étalonnage des détecteurs sur le dipôle cosmologique et sur la reconstruction du spectre de puissance. Tout d'abord je passe en revue les différentes sources de signaux synchrones avec la rotation de la nacelle en me concentrant sur l'émission atmosphérique, puis décris les méthodes que j'ai développées pour soustraire ces contributions. Deux de ces méthodes sont ensuite appliquées sur les données et permettent d'obtenir un étalonnage des détecteurs. La seconde partie de ma thèse montre comment on peut reconstruire le spectre de puissance des anisotropies. La validité du calcul du spectre de puissance est ensuite testée sur les données. Pour extraire le spectre de puissance des anisotropies à partir du signal je présente une métode que j'ai développée pour évaluer la contribution du bruit au spectre, et une autre pour supprimer la contamination galactique. En conclusion la chaîne de calcul est testée complètement sur des simulations qui reproduisent les propriétés des données de manière très précise.

Le fond extragalactique est le rayonnement relique issu de tous les processus de formation des structures dans l'Univers. Environ la moitié de ce fond, appelé fond infrarouge est émis dans l'intervalle 8-1000 microns, a un maximum d'émission autour de 150 microns, et est essentiellement dû aux processus de formation d'étoiles dans l'Univers. En effet, la luminosité infrarouge d'une galaxie est fortement liée à la formation d'étoiles en son sein. Pour bien comprendre l'origine du fond infrarouge, il faut donc également déterminer l'évolution des galaxies infrarouges.Une mesure statistique relativement simple permettant de comprendre l'origine du fond infrarouge, mais également l'évolution des galaxies, consiste à compter les sources en fonction de leur flux. J'ai mesuré les comptages de sources infrarouges dans les données des télescopes spatiaux Spitzer et Herschel, ainsi que celles de l'expérience BLAST, en utilisant des méthodes variées. Les sources détectées individuellement dans les cartes Spitzer à 24 microns émettent la majeure partie du fond. En revanche, à plus grande longueur d'onde, la sensibilité et la résolution angulaire des instruments décroît. Les sources détectées n'expliquent alors plus qu'une petite partie du fond. L'analyse par empilement (ou stacking) permet de mesurer le flux moyen infrarouge lointain ou sub-millimétrique d'une population détectée uniquement dans l'infrarouge moyen. Cette technique fournit des limites inférieures contraignantes sur la valeur du fond à grande longueur d'onde, mais permet également de compter les sources trop faibles pour être détectées individuellement. Ces résultats sont confirmés grâce à l'analyse dite P(D), qui permet de déterminer les comptages directement à partir de l'histogramme d'une carte infrarouge.Ces nouvelles contraintes permettent de préciser le scénario d'évolution des galaxies infrarouges. J'ai construit un modèle paramétrique d'évolution de ces objets permettant d'interpréter les comptages. Ce modèle reproduit de manière satisfaisant les propriétés statistiques de galaxies infrarouges de 15 microns à 1.1 mm. Il prédit que dans l'Univers jeune (z>2), la formation d'étoile a eu lieu majoritairement dans des galaxies ultra-lumineuses en infrarouges (LIR>10^12 luminosités solaires). Ces galaxies formaient des étoiles à un rythme très intense (plus de 100 masses solaires par ans) et n'ont que très peu d'équivalent dans l'Univers local. Depuis, le taux de formation d'étoiles a diminué d'un facteur 10, et la formation d'étoiles a aujourd'hui majoritairement lieu dans des galaxies semblables à la notre. Ce modèle d'évolution a par la suite été utilisé pour interpréter les fluctuations du fond infrarouge à grande longueur d'onde observées par BLAST, Planck et Herschel.

La Matière Sombre représente une des quêtes les plus importantes pour la compréhension des constituants élémentaires de l'Univers: la nature de la Matière Sombre est toujours mystérieuse. La dernière décennie a connu des développements expérimentaux remarquables dans la recherche de la Matière Sombre. Le but de ce travail est l'étude de candidats de Matière Sombre de nature supersymétrique (le neutralino) et au-delà (les particules scalaires), et de leurs aspects phénoménologiques et d'astroparticules. Le neutralino, dans l'intervalle de masses 1-100 GeV, est testé par les expériences du Grand Collisionneur d'Hadrons, de détection directe et de détection indirecte; ce travail montre que la combinaison de ces techniques est un outil décisif pour une recherche minutieuse des prédictions théoriques. Les particules scalaires sont des candidats non-standards de masses jusqu'à 1 MeV qui pourraient être produits abondamment dans le Grand Collisionneur d'Hadrons, et au même temps expliquer d'autres phénomènes tels que la masse des neutrinos et/ou le signal à 511 keV provenant du centre galactique de la Voie Lactée.

Les amas de galaxies constituent un des outils majeurs de la cosmologie moderne. Une mesure de l'abondance de ces objets permet de caractériser les propriétés cosmologiques de l'Univers et l'analyse de leurs différentes propriétés physiques telles que la masse, la température ou la luminosité X du gaz intra-amas permet quant à elle de contraindre les modèles de formation et d'évolution de ces objets. Dans les deux cas, la grandeur fondamentale est la masse de l'amas de galaxies. Etre capable de les estimer de la manière la plus efficace et la plus précise possible est donc une nécessité. Le travail présenté ici s'inscrit dans cette optique : l'étude d'un échantillon représentatif d'amas de galaxies avec des masses déduites de deux analyses totalement différentes afin d'en augmenter la fiabilité. Cette thèse met l'accent sur la méthode qui utilise les effets de lentilles gravitationnelles prédits par la théorie de la Relativité Générale. L'analyse d'images optiques grand champ des amas a constitué la plus grande partie de ce travail : sélection des galaxies lentillées, estimation de leur forme, mesure du signal de cisaillement gravitationnel et reconstruction de la masse. Chaque étape du processus s'accompagne d'erreurs et de limitations qui ont été mises en lumière, en particulier celles attribuées à la distance importante de l'échantillon d'amas. L'étude de celui-ci du point de vue statistique a permis de caractériser ce qu'on appelle les lois d'échelle. Ces relations entre les différentes grandeurs des amas permettent d'étudier les modèles de formation des structures et constituent l'outil nécessaire à une utilisation des amas comme contrainte cosmologique. Leur étalonnage nécessite donc une estimation robuste des masses. Celles déduites de l'analyse des effets de lentilles gravitationnelles ont ainsi été comparées avec les résultats de la seconde méthode basée sur l'émission X du gaz intra-amas. Pour 7 des 11 amas de l'échantillon, les masses estimées sont compatibles ce qui augmente leur crédibilité. Pour les autres cas, les différences observées mettent en lumière les limitations intrinsèques à chaque méthode, en particulier les effets de projection et l'état dynamique de l'amas. Les résultats obtenus sur la calibration des lois d'échelles sont quant à eux en bon accord avec une grande partie des autres travaux du même type, notamment sur des amas plus proches. En particulier, la présence de processus physiques non gravitationnels est mise en évidence, à la fois sur les propriétés du gaz et celles de la population des galaxies de l'amas.

Le contexte de ce travail peut être rattaché à la M-théorie d'Horava-Witten dans laquelle l'Univers a pu connaître une étape à 5 dimensions mais aussi aux théories de Baryogénèse via Leptogénèse qui impliquent de hautes températures de réchauffage après l'Inflation. Le modèle cosmologique étudié se situe dans le contexte d'une supergravité à 5 dimensions avec l'extra-dimension compacte de type $S1/Z_2$, où les champs de matière et de jauge vivent sur une des deux membranes localisées aux point fixes de l'orbifold et où les champs de supergravité se propagent dans l'ensemble des dimensions spatiales. En faisant l'hypothèse que la matière noire est composée de Neutralino, qui est dans notre modèle la particule supersymétrique la plus légère, nous avons montré qu'il existe des courbes de contraintes entre la taille de l'extra-dimension et la température de réchauffage de l'Univers après l'Inflation. Les contraintes proviennent, d'une part, des mesures de la quantité de Matière Noire dans l'Univers, et d'autre part, du modèle de la Nucléosynthèse Primordiale des éléments légers

L'utilisation des supernovae de type Ia comme indicateurs de distance est un pilier du modèle de concordance actuel en cosmologie. Le travail d'instrumentation présenté dans la première partie a été réalisé dans le cadre d'un projet utilisant ces objets, le satellite SNAP, qui nécessite la spatialisation d'un grand plan focal comportant des détecteurs CCD pour le visible et APS pour l'infra-rouge. Pour tester la lecture de ces détecteurs à très bas bruit, nous avons construit deux bancs de test cryogéniques et étudié en détail un ASIC analogique. La deuxième partie est l'analyse de données existantes dans le cadre de notre modèle "calorimétrique", pour améliorer l'utilisation des SN Ia comme étalons. Le programme GRATIS calcule le dépot d'énergie radioactive dans la supernova. La comparaison avec les puissances lumineuses mesurées est satisfaisante. D'autres pistes incluent l'évolution des spectres en phase tardive et l'observation d'un saut de couleur baptisé "rayon vert".

Le SuperNova Legacy Survey (SNLS) est un programme de détection et de suivi photométrique de plusieurs centaines de supernovæ de type Ia (SNe Ia) dont l'objectif est de retracer l'histoire de l'expansion cosmologique afin d'en déduire une caractérisation de la nature de l'énergie noire, c'est-à-dire une mesure de son paramètre d'état wDE. La prise de données du SNLS est arrivée à son terme en juillet 2008 après 5 ans de programme. Le travail réalisé dans le cadre de cette thèse a consisté en l'analyse de ces 5 ans de données SNLS et la photométrie des 419 SNe Ia détectées et spectroscopiquement identifiées. Pour chaque supernova, les courbes de lumière dans les bandes gMrMiMzM sont produites, calibrées et ajustées par un modèle spectrophotométrique. Une nouvelle méthode de photométrie, sans rééchantillonnage des pixels des images, est également implémentée dans le cadre de cette thèse. En préservant les propriétés statistiques des pixels, elle permet de mieux contrôler les incertitudes sur la mesure des flux, et par là même, la précision sur la mesure des paramètres cosmologiques qui s'en déduit. Les performances des deux méthodes sont testées et comparées sur les étoiles de calibration et les supernovae. Si la photométrie sans rééchantillonnage permet une estimation plus exacte des incertitudes de mesure du flux, la précision et la stabilité des deux méthodes sont quant à elles similaires. Un lot de SNe Ia de statistique et de qualité inédites est maintenant disponible pour l'analyse de cosmologie. Avec le complément de supernovæ proches de programmes extérieurs, une contrainte à 5% sur la nature du paramètre d'état de l'énergie noire est donc pour la première fois envisageable.