Les sursauts gamma se divisent entre sursauts courts, issus de la coalescence de deux objets compacts, et sursauts longs, issus de l'effondrement d'une étoile très massive de type Wolf-Rayet. Ce phénomène cataclysmique produit un jet ultra-relativiste. La dissipation de l'énergie au sein de ce jet est à l'origine d'une bouffée de photons gamma (keV-GeV) d'une durée moyenne de 10 s que l'on nomme émission prompte. Elle est suivie d'une phase d'émission rémanente détectable en X, en optique et en radio qui est visible de quelques secondes après le sursauts à quelques jours voir semaines et provient de la dissipation de l'énergie du jet dans le milieu environnant. Il s'agit des événements transitoires les plus lumineux que nous connaissons ce qui permet de les détecter jusqu'à des valeurs de décalage cosmologique (redshift) de l'ordre de 8-9. Cela permet l'exploration du diagramme de Hubble à grand redshift qui reste encore mal connu. Mais pour cela, il est nécessaire de standardiser ces sources astrophysiques afin de calibrer leur luminosité. Diverses relations, liant la luminosité des sursauts gamma à un paramètre indépendant de la cosmologie, ont été mises en évidence permettant de transformer les sursauts en " chandelles standards ". Au cours de cette thèse, nous avons étudié ces relations afin d'apporter un éclairage nouveau sur la façon dont elles sont affectées par divers effets de sélection instrumentaux. Les relations spectrales lient la luminosité isotropique ou l'énergie isotropique à l'énergie du maximum spectral de l'émission prompte. Nous avons montré que la combinaison de deux effets de sélection (détection puis mesure du redshift) permettait d'expliquer les contradictions entre les études reposant sur les sursauts avec redshift et celles incluant les sursauts sans redshift. Cela a conduit à la mise en évidence d'un lien entre l'émission prompte en gamma et l'émission rémanente en optique. Nous nous sommes également intéressé à l'une des relations temporelles, celle reliant Liso au délai spectral. Ce paramètre correspond à la différence entre le temps d'arrivée des photons de hautes et de basses énergies. Après avoir développé notre propre méthode de calcul de cette quantité, nous avons obtenu des résultats intéressants sur les distributions de ce paramètre et son lien avec l'évolution spectrale au sein des sursauts gamma. Nous avons également mis en évidence l'existence d'effets de sélection impactant cette relation et compromettant son usage pour la cosmologie. Plus généralement, cette thèse a permis de mettre en évidence la complexité de la standardisation des sursauts gamma qui ne peut être faites de manière aussi simple que celle utilisée jusqu'à présent. Nous avons montré qu'une étude détaillée des effets de sélection qui affectent ces relations de standardisation est un préalable indispensable avant toute utilisation de ces dernières à des fins cosmologiques. / GRBs are divided between short bursts, resulting from the coalescence of two compact objects, and long bursts, resulting from the collapse of a very massive star (Wolf-Rayet type). This cataclysmic phenomenon produces an ultra-relativistic jet. Energy dissipation in this jet produces flashes of gamma photons (keV-GeV) with an average duration of 10 seconds which is called prompt emission. It is followed by a detectable afterglow phase in X, optical and radio band which is visible from a few seconds after the bursts to several days or weeks and results from the dissipation of the energy contained in the jet into the surrounding medium. They are the most luminous transient events that we know, which can be detected up to redshifts of about 8-9. Being so bright, GRBs may allow the exploration of the Hubble diagram at high redshift, which is still poorly understood. To do this, it is however necessary to standardize these astrophysical sources and calibrate their brightness. Various relationships linking the intrinsic luminosity of GRBs with a parameter independent from cosmology have been highlighted allowing GRBs standardization. To achieve this goal, it is necessary to assess whether the observed correlations represent an intrinsic property of GRBs. In this thesis, we study selection effects to understand their impact on several relations which have been used to standardize GRBs. Spectral relationships connect the isotropic brightness or isotropic energy, and the peak energy of the prompt emission. We show that a combination of two selection effects, respectively associated with the GRB detection and the measure of their redshift, explains the contradiction between studies based on GRBs with a redshift and studies based on larger samples of GRBs without a redshift. Our study led us to discover a link between the prompt gamma emission and the optical afterglow that is a first step to understand the link between these two phases of the gamma-ray burst emission. Among the second category of relations, we focused on the relation between the luminosity and the spectral lag of the prompt emission. This parameter corresponds to the difference between the times of arrival of GRB photons at high and low energies. We developed our own method for the measure of the spectral lag, which led us to discuss the distribution of this parameter and its relationship to the spectral evolution within GRBs. We also confirmed the existence of selection effect affecting this relationship and compromising its use for cosmology. This thesis highlights the strong impact of observational selection effects on the relations which have been proposed for GRB standardization. We conclude that the study of selection effects is essential to understand if the relations proposed for the standardization of GRBs are intrinsic or due to selection effects, and if they can be used for cosmological purposes.

Dans ma thèse, je vais présenter une méthode que j'ai développée pour traiter les perturbations cosmologiques à l’ordre linéaire, appelée théorie des champs effective de l’énergie noire. Elle a l’avantage de quantifier les déviations du modèle ΛCDM d’une façon compacte et indépendante d’un choix de modèle spécifique. Dans un second temps, je parlerai de nouvelles théories que j'ai découvertes, qui vont au delà des théories d’Horndeski, que l’on pensait être les plus générales pour un système gravité + champ scalaire qui soit stable. En effet, j’expliquerai que les conditions habituelles qui sont requises pour qu’une théorie soit stable, i.e. que ses équations du mouvement ne possèdent pas de termes avec plus de deux dérivées, sont trop restrictives. Ensuite j’exposerai des travaux que j’ai menés sur les ondes gravitationnelles primordiales. Plus spécifiquement, j’expliquerai que les prédictions pour les modes tensoriels venant de l’inflation sont très robustes, contrairement aux modes scalaires. Cela implique en particulier que mesurer le spectre de puissance des ondes gravitationnelles donnerait directement accès à l’échelle d’énergie durant l’inflation. Je terminerai par une description de mon étude des relations de cohérence. Ce sont des relations entre les fonctions de corrélations des champs de densité cosmiques à n + 1 points et à n points, quand un des champs varie beaucoup plus lentement que les autres dans l’espace. Leur intérêt vient du fait que pour les dériver, nous n’avons presque pas besoin d’informations sur les champs qui varient rapidement : seulement que leurs conditions initiales sont gaussiennes, et qu’ils respectent le Principe d’Equivalence. / In this thesis, I will present a method I developped to treat cosmological perturbations at linear order, called the Effective Field Theory for Dark Energy (EFT of DE). It has the advantage of quantifying deviations from the standard model ΛCDM in compact and model independent manner. Secondly, I will discuss new theories that I discovered, that extend Horndeski theories, which were thought to be the most general theories to describe a system gravity + scalar that is stable. Indeed, I will argue that the usual conditions that are required for a theory to be stable, namely that its equations of motion are second-order in derivatives, are too restrictive. Then, I will show the work I did on primordial gravitationnal waves. More precisely, I will explain how the standard predictions for tensor modes coming from inflation are very robust, contrarily to the scalar ones. This implies in particular that measuring the power spectrum from gravitationnal waves would give a direct access to the energy scale of inflation. Finally, I will end by a description of my studies on consistency relations. These are relations between the n+1 and n correlations functions of the cosmic density fields when one of the fields varies much less than the others. They are interesting since the derivation needs very little information on the rapidly varying fields: only that their initial conditions are Gaussian and that they obey the Equivalence Principle.

L'objectif de cette thèse est d'identifier et d'étudier la population à haut décalage spectral. J'ai utilisé des données dans le proches infrarouge venant du sondage UltraVista associé à des données multi-longueur d'onde disponible dans le champ COSMOS ainsi que le sondage ultra profond de VIMOS utilisé comme un échantillon de contrôle pour la sélection des candidats à grand décalage spectrale. Cette analyse m'a amené à sélectionner des galaxies à z>4.5 en utilisant les décalages spectraux photométriques estimés à partir de la distribution spectrale d'énergie complète ainsi que des limites en magnitudes basés sur la profondeur des données dans chaque bande. Cette sélection a amené à la production d'un catalogue unique de 2036 galaxies dans l'intervalle z~5 et de 330 galaxies dans l'intervalle z~6 faisant de ce catalogue le catalogue le plus grand et le plus complet à ce jour. J'ai trouvé que la fonction de luminosité à z~5 est bien reproduite par une fonction de Schechter. A z~6, j'ai observé que le fin lumineuse de la fonction de luminosité semble être plus peuplée qu'une fonction de Schechter le laisse présager, en accord avec les résultats d'autres études Ceci étant une indication que les processus d'assemblage de la masse ont évolué rapidement. Finalement, j'ai intégré la fonction de luminosité pour en déduire la densité de luminosité et dérivé la densité de formation stellaire entre z=4.5 et z=6.5. Mes résultats montrent une densité de formation stellaire importante, en comparaison des derniers résultats avec les données du télescope Hubble, ainsi qu'une précision plus grande liée aux meilleures contraintes sur la fin lumineuse de la fonction de luminosité. / The main purpose of this THESIS is to identify and study the population of high redshift galaxies in the redshift range (4.5 < z < 6.5). I use the near infrared data from the UltraVista survey conducted with the Vista telescope in combination with multi-wavelength data available in the COSMOS field and use The VIMOS Ultra Deep spectroscopic redshift survey (VUDS) as a control sample for the selection of high redshift candidates. I made a analysis leads me to select galaxies at z ≥ 4.5 using photometric redshifts computed from the full spectral energy distribution (SED) combined with well tuned magnitude limits based on the depth of the data in each band. At the end of this process I produce a unique catalogue of 2036 galaxies with 4.5 ≤ z ≤ 5.5 and 330 galaxies with 5.5 ≤ z ≤ 6.5, the largest and most complete catalogue of sources at these redshifts existing today. I find that the LF at z ∼ 5 is well fit by a Schechter function. At z ∼ 6 I find that the bright end might be more populated than expected from a Schechter function, in line with results from other authors, an indication that the mass assembly processes have evolved quickly in a short 0.5-1 Gyr timescale. Finally I integrate the luminosity functions to compute the luminosity density and derive the star formation rate density (SFRD) in 4.5 ≤ z ≤ 6.5. My results show a high SFRD comparable to the latest results derived from the HST data, with an improved accuracy linked to the better constraints at the bright end of the LF.

Issus de l'effondrement gravitationnel des fluctuations de matière primordiales, les amas de galaxies sont constitués d'un halo de matière noire, d'un plasma de baryon ou « gaz chaud » et de galaxies. Le comptage des amas apporte des contraintes fortes sur la cosmologie.Mon travail consiste à améliorer la détection de la composante de gaz chaud des amas, à la fois pour des structures proches et lointaines. Ce gaz chaud est détectable dans les cartes du satellite Planck par effet Sunyaev-Zel'dovich et dans les cartes du satellite ROSAT par rayonnement de freinage.La première partie de cette thèse consiste à détecter du gaz chaud dans les cartes de Planck à la position des quasars de l'expérience BOSS, donc dans des structures lointaines.Le signal est dominé par une émission de type poussière. J'ai donc élaboré un filtre capable d'extraire un signal de gaz chaud sous-dominant et de le séparer de l'émission de poussière. Le signal de gaz chaud obtenu par cette approche est significatif pour les structures à redshift z >2.5.La seconde partie de cette thèse, la détection simultanée, est dédiée à la construction d'un filtre capable d'extraire des amas (à z<1.5) individuellement dans les données ROSAT et adapté à la statistique du bruit. Ce filtre est en outre conçu dans la perspective d'être combiné avec le filtre utilisé pour détecter les amas dans les données Planck. L'objectif final étant d'obtenir plus d'amas moins massifs. / Originating from the gravitational collapse of the primordial fluctuations of matter, galaxy clusters are the mixture of a dark matter halo, a baryonic plasma also called « hot gas » and several galaxies. Cluster counts provide stringent constraints on cosmology.Improving the detection of the hot gas component in nearby or distant structures is the main goal of my work. We can detect this hot gas in the Planck satellite maps thanks to the Sunyaev-Zel'dovich effect and in the ROSAT satellite maps by bremsstrahlung.The first part of my thesis is dedicated to the detection of hot gas in Planck maps at the positions of BOSS quasars, so in distant structures.Dust-like emission dominates our signal. I developped a new filter in order to separate the possible sub-dominant hot gas emision from the dust one. I get a significnt hot gas signal for structures with redshift z >2.5.In the second part of the thesis, the simultaneous detection, I build a filter suited for extracting clusters (z<1.5) individually in the ROSAT data respecting the noise statitistics. This filter is also designed to be combined with the filter used for detecting clusters in Planck maps. Increasing the number of less massive clusters will be the final goal.

Le but global de cette thèse est de caractériser les processus qui régulent la formation d'étoiles à grande échelle dans les galaxies. Durant les quinze dernières années, le développement de l'astronomie infrarouge, portée par les satellites ISO, IRAS, Spitzer et Herschel, a révolutionné notre conception de l'évolution des galaxies. En observant le rayonnement émis par la poussière interstellaire, ces observatoires permettent de détecter l'énergie et la matière qui reste désespérément invisible aux télescopes optiques, et ont découvert ainsi une part conséquente et pourtant insoupçonnée de l'activité des galaxies. Les travaux de ma thèse reposent donc en grande partie sur les données acquises par le satellite Herschel, qui permet pour la première fois de détecter l'émission infrarouge des galaxies "normales" à de grandes distances (z=2). En m'appuyant sur ces nouvelles données, j'étudie statistiquement plusieurs milliers de galaxies à différentes époques de l'Univers. En particulier, j'apporte les meilleures contraintes disponibles à ce jour sur les propriétés de la "Séquence Principale" des galaxies. L'existence de cette séquence (la corrélation entre la masse stellaire, M* et le taux de formation d'étoile, SFR) s'est trouvée être un outil formidable pour comprendre l'évolution des galaxies. La faible dispersion observée autour de cette séquence suggère que la majorité des galaxies grandi par des épisodes de formation d'étoile longs et réguliers, et non par des processus violents comme ceux qui résultent de la collision (ou fusion) de deux galaxies. En développant une nouvelle technique d'analyse d'image, je montre en particulier que plus des deux tiers de la masse des étoiles observée aujourd'hui dans l'Univers ont été formées au sein de la Séquence Principale, et qu'il s'agit donc du mode dominant de croissance des galaxies. Dans un deuxième temps, je m'intéresse à caractériser l'évolution de la forme de cette séquence avec le temps, c'est à dire principalement la pente de la corrélation SFR-M*. Conformément aux résultats d'autres études publiées indépendamment, je trouve que cette pente évolue et décroit avec le temps, de sorte que les galaxies les plus massives forment relativement moins d'étoiles aujourd'hui que dans le passé. J'étudie les origines possibles de cette évolution, en quantifiant par exemple l'évolution morphologique des galaxies et la croissance des bulbes, ainsi que l'évolution du contenu en gaz d'hydrogène, le carburant de la formation d'étoile. J'en déduis que le changement de pente de la Séquence Principale peut être principalement expliqué par une variation de l'efficacité de formation d'étoile, et non par un processus morphologique ou par un manque de gaz. Les différentes observations que j'ai effectuées dans les travaux sus-cités me permettent d'établir des relations simples pour simuler les propriétés observables des galaxies, en particulier leurs spectres. J'utilise ces recettes pour créer une simulation réaliste d'un champ profond qui me sert à tester mes méthodes d'analyse, et qui reproduit correctement le fond diffus infrarouge. Enfin, j'introduis des résultats préliminaires sur la formation d'étoile dans l'Univers jeune (z=4) obtenus grâce à de nouvelles données acquises par le télescope ALMA. Je décris en particulier les contraintes apportées sur la Séquence Principale à cette époque, et j'étudie plus en détail deux galaxies extrêmement distantes que j'ai découvert par chance dans ces données. Ces galaxies sont parmi les plus lointaines connues à ce jour, et sont probablement les plus massives et poussiéreuses jamais détectées dans un Univers âgé de moins d'un milliard d'années. / The main goal of this thesis is to characterize the processes that regulate large-scale star formation in galaxies. During the last fifteen years, the development of infrared astronomy through the satellites ISO, IRAS, Spitzer and Herschel has revolutionized our conception of galaxy evolution. By observing the light emitted by the interstellar dust, these observatories allow us to detect the energy and matter that remain elusive to the best optical telescopes, and have thereby discovered a substantial yet unexpected part of the star formation activity of galaxies. The work of my thesis hence rely heavily on the data acquired by the Herschel satellite, which allow for the first time the detection in the infrared of "normal" galaxies at great distances (z=2).Taking advantage of these new data, I perform a statistical study of several thousands of galaxies at different epochs of the Universe. In particular, I bring forward the best constraints available today on the properties of the "Main Sequence" of galaxies. The existence of this sequence (the correlation between the stellar mass, M*, and the star formation rate, SFR) turned out to be a incredibly useful tool to understand galaxy evolution. The small dispersion that is observed around this sequence suggests that the majority of galaxies are growing through long and steady episodes of star formation, rather than intense bursts like those triggered by the collision (of merger) of two galaxies. By developing a new image analysis technique, I show in particular that more than two thirds of the mass of stars present in the Universe today has been formed within Main Sequence galaxies, hence that this is the dominant mode of galaxy growth.Then I approach another aspect of the Main Sequence, that is the characterization of the evolution of its shape, i.e., the slope of the SFR-M* correlation. In agreement with other studies that were published independently, I find that this slope evolves and decreases with time, so that the most massive galaxies are forming relatively fewer stars per year today than they used to in the past. I study the various possible causes for this evolution, by quantifying for example the morphological evolution of these galaxies and the growth of bulges, as well as the evolution in their hydrogen gas content, which is the fuel for star formation. I deduce from these observations that the change of slope of the Main Sequence can be mainly attributed to a decrease of the star formation efficiency, rather than by a morphological process or a lack of gas.The various observations I have made throughout the work described above allow me to establish simple prescriptions to simulate the observable properties of galaxies, in particular their spectrum. I use these recipes to create a realistic simulation of a deep field, that I use to test my analysis methods and that reproduces consistently the cosmic infrared background.Lastly, I introduce some preliminary results on star formation in the young Universe (z=4) obtained thanks to new data acquired with the ALMA telescope. I describe in particular the resulting new constraints on the Main Sequence at this epoch, and study in more detail two extremely distant galaxies that I have discovered by chance in these data. These two galaxies are among the most distant known today, and are probably the most massive and most dusty ever detected in a Universe that is less than a billion years old.

La cosmologie a atteint une ère passionnante. Pour la première fois dans l’histoire humaine, un modèle quantitatif pour la formation et l’évolution de l’Univers existe,expliquant une gamme très variée de phénomènes et ayant été testé avec une impressionnante. De plus, nous sommes à l’aube d’une époque dans laquelle nous aurons à notre disposition une abondance de données de grande qualité, ce qui nous permettra d’utiliser la cosmologie comme un outil pour tester la physique fondamentale.En particulier, comme les structures de grandes échelles de l’Univers sont gouvernées par la force de gravité, la cosmologie peut être utilisée pour tester la théorie de la relativité générale d’Einstein. Cette idée a inspiré la plupart des travaux décrits dans ce manuscrit, dans lequel j’ai étudié des théories alternatives au modèle standard de la cosmologie et des tests à grandes échelles pour la relativité générale.Dans la première partie de ma thèse, je me suis concentré sur les “théories tenseur-scalaire” de la gravité. Ce sont des théories alternatives de la gravité, dans lesquelles un champ scalaire, qui est responsable de l’accélération de l’expansion de l’Univers, est ajouté à l’action de Einstein-Hilbert. Dans le deuxième chapitre, j’ai décrit le modèle de K-mouflage, une “théorie tenseur scalaire”dans laquelle le champ scalaire possède un terme cinétique non-standard, en montrant son effet non négligeable sur la dynamique des amas des galaxies. J’ai aussi montré comment cet effet peut être utilisé pour contraindre le modèle de “K-mouflage” en utilisant des observations en rayon X.En particulier, j’ai montré que le cisaillement cosmique a un pouvoir assez limité actuellement pour contraindre ces théories, à cause de la faible précision des observations actuelles et des dégénérescences avec les processus baryoniques.Dans le cinquième chapitre, j’ai donné une description de mon étude des relations de cohérence. Ce sont des relations entreles fonctions de corrélation des champs cosmiques à (n + 1) et n points, valables aussi dans le régime non-linéaire.Leur intérêt vient du fait que leur dérivation dépend seulement du Principe d’Équivalence et de l’hypothèse de conditions initiales Gaussiennes, et donc elles peuvent être utilisées pour tester ces hypothèses fondamentales du modèle standard de la cosmologie.Des relations similaires ont été étudiées auparavant, mais j’ai montré comment il est possible d’obtenir des relations qui ne s’annulent pas lorsque tous les champs sont considérés au même instant. J’ai utilisé ce résultat pour obtenir des relations de cohérence entre fonctions de corrélation de quantités observables, notamment le champ de densité des galaxies et la fluctuation de température du fond diffus cosmologie donnée par l’effet Sachs-Wolfe. Ces relations peuvent être utilisées pour des tests de la relativité générale,reposant sur des observations par satellites, sans avoir besoin de modéliser la physique des baryons aux petites échelles.Enfin, j’ai donné un aperçu des quelques perspectives possibles pour poursuivre le travail décrit dans ce manuscrit.En particulier, j’ai souligné comment des simulations numérique sont nécessaires pourmieux comprendre la formation des structuresdans le contexte des modèles “K-mouflage” et“ultra-local”. En outre, elles peuvent être aussiutilisées pour tester les hypothèses sous-tendantl’analyse des lentilles gravitationnelles faiblesprésentée dans ce manuscrit, surtout pourdistinguer l’effet de la physique des baryons etdes neutrinos de l’effet des théories de gravitémodifiée sur le cisaillement cosmique. En cequi concerne les relations de cohérence, uneétude de faisabilité de leur mesure avec les“surveys” cosmologiques est nécessaire, pourcomprendre si elles peuvent donner descontraintes compétitives sur les théoriesalternatives de la gravité. / The study of physical cosmology has reached an exciting era. For the first time in human history, a quantitative model for the formation and the evolution of the Universe exists, which explains a wide range of phenomena and has been tested with incredible accuracy during the last century. Moreover, weare approaching a time when a bounty of high quality cosmological data will be available,allowing us to use cosmology as a tool to test fundamental physics.In particular, as the large-scale structures of the Universe are governed by gravity, cosmology can help us to asses the correctness of Albert Einstein’s general relativity. This idea fueledmost of the work described in this manuscript,in which we study alternative theories to the standard cosmological model and large-scale structure tests for general relativity.In particular, we focus on two scalar-tensor theories of gravity, the K-mouflage models described in Chapter 2 and the ultra-localmodels of gravity presented in Chapter 3. The K-mouflage theories are k-essence models with a non-standard kinetic term that were already studied at the linear and background levels. In this manuscript, we extend this description showing how the scalar field, which is responsible for the late time acceleration of the Universe, has a non-negligible impact on cluster dynamics, arguing that future surveysmay have the power of constraining K-mouflage models via X-ray observations. Next,we study the ultra-local models of gravity,where a scalar field with a negligible kinetic term is added to the Einstein-Hilbert action,investigating how the latter modifiescosmological structure formation and howthese models can be related to super-chameleonmodels.In Chapter 4, we present a cosmic shear data analysis in the context of f (R) and Dilaton models, and we show how current data canaccommodate most of the theories considered,once baryonic and neutrino physicsdegeneracies are taken into account. Finally, in Chapter 5 we present an analysis of consistency relations for large-scale structures,which are non-perturbative relations among correlations of cosmic fields. They are alsovalid in the non-linear regime, where very few analytical results are known, and only rely on the Equivalence Principle and primordial Gaussian initial conditions. This makes them a powerful tool to test general relativity and inflationary models using the cosmologic allarge-scale structures.We provide here the first non-vanishing equaltime consistency relations, which we use to obtain consistency relations involving observational quantities.In this Thesis manuscript, we highlight the major results of the full analysis done in the articles that are appended to the main text,where the reader can quench any thirst for technical details.

Le chemin parcouru par la lumière, lors de sa propagation dans l’Univers, est altéré par la présence d’objets massifs. Cela entraine une déformation des images de galaxies lointaines. La mesure de cet effet, dit de lentille gravitationnelle faible, nous permet de sonder la structure, aux grandes échelles, de notre Univers. En particulier, nous pouvons ainsi étudier la distribution de la matière noire et les propriétés de l’Energie Sombre, proposée comme origine de l’accélération de l’expansion de l’Univers. L’étude de l'effet de lentille gravitationnelle faible constitue l’un des objectifs scientifiques principaux d'Euclid, un télescope spatial de l’Agence Spatiale Européenne en cours de construction.En pratique, ce signal est obtenu en mesurant la forme des galaxies. Toute image produite par un instrument optique est altérée par sa fonction d’étalement du point (PSF). Celle-ci a diverses origines : diffraction, imperfections dans les composantes optiques de l’instrument, effets atmosphériques (pour les télescopes au sol)… Puisque la PSF affecte aussi les formes des galaxies, il est crucial de la prendre en compte lorsque l’on étudie l’effet de lentille gravitationnelle faible, ce qui nécessite de très bien connaître la PSF elle-même.Celle-ci varie en fonction de la position dans le plan focal. Une mesure de la PSF, à certaines positions, est donnée par l’observation d’étoiles non-résolues dans le champ, à partir desquelles on peut construire un modèle de PSF. Dans le cas d’Euclid, ces images d’étoiles seront sous-échantillonnée ; aussi le modèle de PSF devra-t-il contenir une étape de super-résolution. En raison de la très large bande d’intégration de l’imageur visible d’Euclid, il sera également nécessaire de capturer les variations en longueur d’onde de la PSF.La contribution principale de cette thèse consiste en le développement de méthodes novatrices d’estimation de la PSF, reposant sur plusieurs outils : la notion de représentation parcimonieuse, et le transport optimal numérique. Ce dernier nous permet de proposer la première méthode capable de fournir un modèle polychromatique de la PSF, construit uniquement à partir d’images sous-échantillonnées d’étoiles et leur spectre. Une étude de la propagation des erreurs de PSF sur la mesure de forme de galaxies est également proposée. / As light propagates through the Universe, its path is altered by the presence of massive objects. This causes a distortion of the images of distant galaxies. Measuring this effect, called weak gravitational lensing, allows us to probe the large scale structure of the Universe. This makes it a powerful source of cosmological insight, and can in particular be used to study the distribution of dark matter and the nature of Dark Energy. The European Space Agency’s upcoming Euclid mission is a spaceborne telescope with weak lensing as one of its primary science objectives.In practice, the weak lensing signal is recovered from the measurement of the shapes of galaxies. The images obtained by any optical instrument are altered by its Point Spread Function (PSF), caused by various effects: diffraction, imperfect optics, atmospheric turbulence (for ground-based telescopes)… Since the PSF also alters galaxy shapes, it is crucial to correct for it when performing weak lensing measurements. This, in turn, requires precise knowledge of the PSF itself.The PSF varies depending on the position of objects within the instrument’s focal plane. Unresolved stars in the field provide a measurement of the PSF at given positions, from which a PSF model can be built. In the case of Euclid, star images will suffer from undersampling. The PSF model will thus need to perform a super-resolution step. In addition, because of the very wide band of its visible instrument, variations of the PSF with the wavelength of incoming light will also need to be accounted for.The main contribution of this thesis is the building of novel PSF modelling approaches. These rely on sparsity and numerical optimal transport. The latter enables us to propose the first method capable of building a polychromatic PSF model, using no information other than undersampled star images, their position and spectra. We also study the propagation of errors in the PSF to the measurement of galaxy shapes.

Les simulations, de plus en plus, sont capables de saisir la complexité de l'époque de réionisation, durant laquelle l'hydrogène neutre de l'Univers a été ionisé par les premières sources lumineuses. Des bases de données représentatives de la multitude de signaux possibles seront nécessaires pour contraindre les paramètres des modèles quand des observations 21~cm seront disponibles. À cette fin, et en préparation des observations à venir sur des instruments comme SKA, nous avons développé une base de données de cones de lumières EoR haute-résolution (21ssd.obspm.fr), ainsi qu'une modélisation du bruit thermique. Nous avons également développé un formalisme permettant de quantifier la différence entre les modèles de cette base de données, en utilisant le spectre de puissance et la fonction de distribution des pixels. Nous trouvons que les deux diagnostiques sont sensibles à des paramètres différents des modèles, ce qui signifie que les deux peuvent être utilisés ensemble de manière complémentaire pour extraire l'information maximale. De plus, en utilisant le code 21cmFAST, nous avons développé des stratégies pour échantillonner l'espace des paramètres d'une manière optimale (plus homogène et isotrope), afin de fournir le meilleur point de départ entrainer un réseau de neurones. Ce réseau retrouve les paramètres du modèle en se basant sur une observable. Nous observons une amélioration modérée dans la précision de ses prédictions quand nous utilisons l'échantillonnage optimisé lors de son entrainement. / Simulations are increasingly able to capture the intricacies of the Epoch of Reionization, during which the neutral hydrogen in the Universe was ionized by the first luminous sources. Databases encompassing the range of possible signals will be needed to constrain parameter values when 21~cm observations are available. In preparation for upcoming experiments such as the SKA, we have developed a database of high-resolution EoR lightcones (21ssd.obspm.fr), along with realistic thermal noise modelling. We examine frameworks with which we can quantify the difference between entries in this database, specifically with the power spectrum and pixel distribution function. We find that the two diagnostics are sensitive to different parameters, meaning they can be used together to extract maximumal information. Then, using the 21cmFAST code, we explore how to optimally sample a parameter space (so that it is more homogeneous and isotropic), in order to provide the best set-up for parameter extraction. Finally, the improved sampling is used in training a neural network. The neural network uses observables as input data, and attempts to estimate the corresponding parameter values. When the optimal sampling is used as training data, we find that the neural network is able to estimate parameter values with a modest improvement in accuracy.

La compréhension des premiers instants de notre Univers complèterait notre description de son histoire et permettrait également une exploration de la physique fondamentale à des échelles d'énergie jusque là inatteignables. L'inflation cosmique est le scénario privilégié pour décrire ces premiers instants car il s'intègre très bien dans le modèle standard de la cosmologie. Selon ce scénario l'Univers aurait connu une courte période d'expansion accélérée peu après le Big Bang. Quelques indices favorisent ce modèle cependant toujours en attente d'une signature observationnelle décisive. Les modes B du fond diffus comologique (FDC) aux grandes échelles angulaires sont générés par les ondes gravitationnelles primordiales, produites durant l'inflation cosmique. Dans ce cadre, la détection des modes B primordiaux est le but de nombreuses expériences, actuelles ou à venir. Cependant, des effets astrophysiques et instrumentaux rendent sa détection difficile. Plus précisément, une couverture incomplète de la polarisation du FDC (inhérente à toute observation du FDC) entraine la fuite des modes E dans B, un problème majeur dans l'estimation des modes B. Cet effet peut empêcher une détection des modes B même à partir de cartes parfaitement nettoyées, car les modes E fuyant (beaucoup plus intenses) masquent les modes B. Diverses méthodes offrant une estimation de modes B théoriquement non affectés par cette fuite, ont été récemment proposées dans la littérature. Cependant, lorsqu'elles sont appliquées à des expériences réalistes, elles ne corrigent plus exactement cette fuite. Ces méthodes doivent donc être validées dans le cadre d'expériences réalistes. Dans ce but, j'ai travaillé sur l'implémentation et le développement numérique de trois méthodes typiques de pseudospectres. Ensuite, je les ai testé dans le cas de deux expériences fiducielles, typiques d'une expérience suborbitale et d'une potentielle mission satellite. J'ai alors montré l'efficacité et la nécessité d'une méthode en particulier: la méthode dite pure. J'ai également montré que le cas d'une couverture quasi complète du ciel n'est pas trivial, à cause des contours compliqués du masque galactique et des points sources. Par conséquent, une estimation optimale de pseudospectre des modes B exige l'utilisation d'une telle méthode également dans le contexte d'une mission satellite. Grâce à cette méthode, j'ai fait des prévisions réalistes sur les contraintes qu'une détection de la polarisation du FDC pourra apporter sur la physique de l'Univers primordial. J'ai tout d'abord étudié la détectabilité du rapport tenseur-sur-scalaire r qui quantifie l'amplitude des ondes gravitationnelles primordiales, directement relié à l'échelle d'énergie de l'inflation, dans le cas de différentes expériences dédiées à la détection de la polarisation du FDC. J'ai montré qu'une mission satellite nous permettrait de mesurer un rapport tenseur-sur-scalaire de l'ordre de 0.001, autorisant une distinction entre les modèles d'inflation à champ fort et faible. De plus, dans le cas d'une extension du modèle standard de la cosmologie, des corrélations EB et TB du FDC peuvent être générées. En particulier, j'ai prévu les contraintes que nous pourrons mettre sur une violation de parité durant l'univers primordial à partir d'observations sur une grande ou une petite partie du ciel. Mes résultats ont montré qu'une expérience satellite est nécessaire pour mettre des contraintes sur une gamme de modèles de violation de parité. J'ai finalement abordé la problématique de la détectabilité d'une signature observationnelle d'un champ magnétique primordial. / A deep understanding of the first instants of the Universe would not only complete our description of the cosmic history but also enable an exploration of new fundamental phsyics at energy scales unexplored on Earth laboratories and colliders. The most favoured scenario which describes these first instants is the cosmic inflation, an ephemeral period of accelerated expansion shortly after the big bang. Some hints are in favour of this scenario which is however still waiting for a smoking-gun observational signature. The cosmic microwave background (CMB) B modes would be generated at large angular scales by primordial gravitational waves produced during the cosmic inflation. In this frame, the primordial CMB B modes are the aim of various ongoing or being-deployed experiments, as well as being-planned satellite mission. However, unavoidable instrumental and astrophysical features makes its detection difficult. More specifically, a partial sky coverage of the CMB polarisation (inherent to any CMB measurements) leads to the E-to-B leakage, a major issue on the estimation of the CMB B modes power spectrum. This effect can prevent from a detection of the primordial B modes even if the polarisation maps are perfectly cleaned, since the (much more intense) leaked E-modes mask the B-modes. Various methods have been proposed in the literature offering a B modes estimation theoretically free from any leakage. However, when applied to real data, they are no longer completely leakage-free and remove part of the information on B-modes. These methods consequently need to be validate in the frame of real data analysis. In this purpose, I have worked on the implementation and numerical developments of three typical pseudospectrum methods. Afterwards, I have tested each of them in the case of two fiducial experimental set ups, typical of current balloon-borne or ground based experiments and of potential satellite mission. I have therefore stated on the efficiency and necessity of one of them: the so-called pure method. I have also shown that the case of nearly full sky coverage is not trivial because of the intricate shape of the contours of the point-sources and galactic mask. As a result this method is also required for an optimal B modes pseudospectrum estimation in the context of a satellite mission. With this powerful method, I performed realistic forecasts on the constraints that a CMB polarisation detection could set on the physics of the primordial universe. First of all, I have studied the detectability of the tensor-to-scalar ratio r, amounting the amplitude of primordial gravity waves and directly related to the energy scale of inflation, in the case of current suborbital experiments, a potential array of telescopes and a potential satellite mission. I have shown that a satellite-like experiment dedicated to the CMB polarisation detection will enable us to measure a tensor-to-scalar ratio of about 0.001, thus allowing for distinguishing between large and small field models of inflation. Moreover, in extension of the standard model of cosmology, the CMB EB and TB correlations can be generated. In particular, I have forecast the constraints that one could set on a parity violation in the gravitational waves during the primordial universe from observations on a small and a large part of the sky. Our results have shown that a satellite-like experiment is mandatory to set constraints on a range of parity violation models. I finally address the problematic of the detectability of observational signature of a primordial magnetic field.

Les galaxies locales ont des propriétés différentes selon leur environnement : couleur, morphologie, fraction de gaz, etc. Cette différentiation s'est opérée durant leur formation. Les observations indiquent que ce pic d'activité de formation stellaire a eu lieu vers z=2 et que les environnements denses étaient à cette époque des lieux de formation stellaire très intense, soit l'inverse d'aujourd'hui. C'est en observant les progéniteurs des amas massifs actuels que l'on pourra comprendre l’origine de ces différences. Mais les (proto-)amas à grand z sont difficilement observables. De bons candidats sont les galaxies sub-millimétriques, qui tracent directement la formation stellaire. Grâce aux observations des satellites Planck, Herschel et Spitzer, un échantillon de 82 candidats a été construit : SPHerIC (Spitzer–Planck–Herschel infrared clusters). Ses données indiquent des sources compatibles avec les progéniteurs des amas massifs locaux. 13 de ces champs ont été observés par le CFHT. J’ai tiré parti de ces nouvelles données afin de rendre SPHerIC plus robuste. Après avoir développé un pipeline photométrique pour créer les catalogues de sources JKs, j'ai généré des cartes de densité surfacique de galaxies par tranches de couleur J-Ks. J'ai défini 8 couleurs J-Ks à partir des modèles de Berta et al. (2013) pour contraindre le redshift des galaxies. Je quantifie la coïncidence entre les positions des surdensités JKs, des surdensités IRAC-rouges et des sources SPIRE-rouges. Les diagrammes couleur-magnitude (J-Ks) vs Ks couplés aux modèles de Kodama et al. (1998) semblent indiquer la présence d’une séquence rouge à z~2 pour 12 des 13 champs. Les diagrammes couleur-couleur [3.6]-[4.5] vs (J-Ks) des sources IRAC-rouges sont eux compatibles avec les modèles de galaxies en phase de formation stellaire de Berta et al. (2013), un résultat compatible avec ceux de Planck et Herschel. Toutes les analyses de nos données photométriques convergent vers la conclusion que nos candidats sont de réelles structures à grand redshift et à formation stellaire intense. Après l'observation spectroscopique de sources SPHerIC au télescope de 30 m de l'IRAM, je confirme notamment l'existence de 2 structures à z>2. À partir des flux CO, je dérive la luminosité infrarouge et le SFR dont les valeurs semblent indiquer là encore des structures en phase de formation stellaire intense. J'ai aussi contribué au projet spatial Euclid en étudiant les variations de la PSF de la caméra VIS en fonction du type d'objet observé et de sa position sur le plan focal, et je montre que les variations sont faibles pour les étoiles et galaxies standards. / The properties of local galaxies (color, morphology, gas fraction, etc.) greatly depend on their environment. The differentiation occurred during their assembly. Current observations indicate that the peak of star formation occurred around z=2 and that dense environments used to be cradles of intense star formation, unlike today. This differentiation may be explained by observing the high-z progenitors of today’s most massive systems. However, such sources are rare. Good candidates are sub-millimeter galaxies, because they directly trace star formation. A sample of 82 such candidates named SPHerIC (Spitzer–Planck–Herschel infrared clusters) was made from the data of these three satellites. From them, 13 have been observer by the CFHT. I extracted as much information as I could from those new data in order to make SPHerIC more robust. After making JKs source catalogs with a self-made photometric pipeline, I made galaxy surface density maps in J–Ks color slices. I defined 8 colors using Berta et al. (2013) galaxy templates to constrain the redshift of galaxies. I show the coincidence between the position of JKs and IRAC-red overdensities with the position of SPIRE red sources. JKs color–magnitude diagrams (J–Ks vs Ks) along with models from Kodama et al. (1998) may exhibit a z~2 red sequence in 12 out of 13 fields. NIR color–color diagrams ([3.6]–[4.5] vs J–Ks) of IRAC-red sources are compatible with starforming models from Berta et al. (2013), also compatible with Planck and Herschel results. The analyses of our photometric data all converge toward the fact that our candidates are genuine high-z star-forming structures. From spectroscopic observations at the IRAM/30m telescope, I confirm for instance 2 structures at z>2. Infrared luminosities and SFRs derived from CO fluxes are consistent with high-SFR sources. In parallel, I have been involved in the Euclid Consortium. I studied the PSF variations of the VIS imager w.r.t. the spectral type of observed objects and their position on the focal plane. I show there is a limited impact on the PSF as long as the stars and galaxies are standard.