Ces quarante dernières années, l'observation du Fond Cosmique Micro-Onde a été l'un des champs d'étude les plus prolifiques de l'astrophysique. Couronnée par deux prix Nobel, cette découverte majeure a permis de confirmer de façon spectaculaire la théorie du Big-Bang. L'étude détaillée de ce fond micro-onde a également permis de mieux contraindre les différents modèles d'Univers issus de la cosmologie. Avec l'expérience Planck de l'ESA qui va succéder en 2008 à COBE et WMAP, la cosmologie entre dans une nouvelle ère, celle de la ``cosmologie observationnelle de précision''. Jamais une expérience spatiale aussi sensible n'aura effectué un relevé complet du ciel micro-onde avec une aussi grande résolution. La grande sensibilité de Planck implique la nécessité d'un contrôle accru des effets systématiques d'origine instrumentale. Cette thèse s'inscrit dans le cadre du contrôle de ces effets systématiques pour Planck, en particulier pour son instrument hautes fréquences: HFI (High Frequency Instrument). Contrôler les effets systématiques implique trois types d'activités: l'Identification, la Quantification et la Correction de ces effets. Cette thèse présente essentiellement les résultats obtenus sur les travaux d'identification et de quantification des effets systématiques d'origine thermique dans Planck-HFI. La quantification de la diaphonie électronique ainsi que la correction des effets thermiques y sont également abordés.

Premier volet du CFHT Legacy Survey, le projet SuperNovae Legacy Survey (SNLS) propose de contraindre l'équation d'état de l'énergie noire en réduisant l'incertitude sur l'histoire de l'expansion de l'univers par l'observation de supernovae de type Ia (SN-Ia), jusqu'à un décalage vers le rouge de 1. <br />La standardisation nécessaire à l'utilisation des SN-Ia comme indicateurs de distance repose sur la mesure précise des courbes de lumière dans 4 filtres (g', r', i' et z' pour MégaCam au CFHT). La mesure de la vitesse de récession, via le décalage vers le rouge, ainsi que la validation du transient comme étant bien une SN-Ia procèdent du suivi spectroscopique. <br />L'instrument FORS1 du Very Large Telescope de l'ESO assure l'essentiel de ce suivi. L'imposant lot de données, la fréquente faiblesse du signal et la volonté de tester des algorithmes alternatifs de calibration des images et d'extraction des spectres m'ont amené à développer une chaîne de réduction indépendante et automatisée. Cet ouvrage présente une méthode compréhensive, d'approche statistique, pour une extraction systématisée du spectre du transient et de celui de sa galaxie hôte lorsque ces sources sont effectivement résolues. <br />Ceci par le developpement logiciel en C++ et en Python, en interaction avec les produits du suivi photométrique : les images profondes des champs et les courbes de lumière des transients. La classification des transients reste subjective, mais est éclairée par l'ajustement simultané des courbes de lumières et du spectre par SALT2, un modèle empirique de SN-Ia (J.Guy 2007). <br />117 SN-Ia certaines ou probables (55% puis 73% des observations des deux premières années) sont ainsi identifiées.

Les systèmes Lorentziens Lyman-alpha à grand décalage spectral, observés en absorption sur la ligne de visée de quasars, sont les signatures spectrales du milieu interstellaire dans l'Univers lointain. Peu d'outils sont cependant à notre disposition pour comprendre les propriétés physiques des objets associés. Une technique qui se base sur de la physique bien comprise et qui a été largement appliquée au milieu interstellaire local est l'étude de l'hydrogène moléculaire. Les propriétés radiatives et collisionnelles spécifiques de cette molécule en font une sonde très sensible aux conditions physiques du gaz.<br /><br />Dans cette thèse, j'étudie la présence d'hydrogène moléculaire dans le milieu interstellaire à grand décalage spectral en m'appuyant sur un échantillon unique de systèmes Lorentziens Lyman-alpha observés à grand rapport signal-à-bruit et haute résolution spectrale. Je présente des travaux dont l'objectif est de comprendre les propriétés et les conditions physiques du gaz neutre associé à ces systèmes (température, densité, composition chimique, fraction moléculaire, contenu en poussières, intensité du champ de radiation incident). <br /><br />J'effectue en parallèle une recherche systématique et une étude statistique des systèmes Lorentziens afin de mesurer le contenu en gaz neutre de l'Univers, caractériser sa distribution et son évolution au cours du temps et contraindre ainsi la formation des galaxies.<br /><br />Je montre enfin la possibilité de détecter et d'étudier d'autres molécules telles que l'hydrogène moléculaire deutéré et le monoxyde de carbone dans le milieu interstellaire à grand décalage spectral. Les outils d'analyse automatique de spectres développés dans cette thèse ont conduit à la première détection de CO dans un tel milieu, ouvrant la voie à l'astrochimie du milieu interstellaire dans l'Univers lointain.

Cette thèse se compose de deux parties. Une première partie est dédiée à l'étude de phénomènes de diffusions dans des géométries non triviales. Je présente tout d'abord un travail sur les effets des irrégularités de la géométrie d'une surface sur un mouvement brownien galiléen évoluant sur cette surface. Ce problème est susceptible d'applications en biologie, notamment dans la modélisation des phénomènes de diffusions latérales sur des interfaces. J'expose ensuite des travaux réalisés sur des processus stochastiques relativistes. J'introduis d'une part des modèles simples de diffusion dans un univers en expansionet présente des relations de fluctuation-dissipation vérifiées par ces modèles. J'expose d'autre part une approche unifiée des différents processus stochastiques relativistes existant dans la littérature, à savoir, le ROUP, le processus de Franchi-Le~Jan et le processus de Dunkel-Hänggi. Dans une seconde partie, je présente deux applications de la récente théorie champ moyen de la relativité générale. La théorie a été appliquée à un trou noir de Schwarzschild et à un trou noir de Reisner-Nordström extrême. Les caractéristiques de l'espace-temps moyen obtenu dans chacun de ces deux cas sont présentées. Les résultats sont mis en relation avec des observations de trous noirs astrophysiques et avec des observations cosmologiques. Les effets de la moyennisation sur les propriétés thermodynamiques de ces trous noirs sont également étudiés.

Ces dernières années ont connu de grandes avancées en cosmologie et en astrophysique grâce à l'incroyable précision atteinte par les mesures des paramètres cosmologiques. La matière Noire (MN) apporte un lien entre ces mesures et celles effectuées en collisionneurs comme le LHC ou le collisionneur linéaire qui permettra d'augmenter encore la précision sur les propriétés de la MN. Les prédictions théoriques doivent alors atteindre la même précision que les mesures expérimentales portant sur la MN. Le neutralino du Modèle Standard Supersymétrique Minimal (MSSM) est un excellent candidat de MN. Le travail de cette thèse porte sur le développement d'un programme de renormalisation complet et cohérent du MSSM permettant le calcul à une boucle de toutes sortes de processus. Pour faciliter l'implémentation de ce programme qui tient compte d'un grand nombre de paramètres du modèle ainsi que d'un nombre incroyable de diagrammes de Feynman, un outil automatique a été développé. Celui-ci a permis d'étudier une grande variété d'applications à une boucle, de la détermination des masses, des désintegrations, des sections efficaces aux collisionneurs jusqu'à la prédiction de la densité relique de MN froide pour différents scénarios. D'un point de vue théorique, plusieurs schémas de renormalisation du paramètre tan(β) ainsi que leur dépendance de jauge ont été analysés, ceci en partie grâce à l'utilisation d'une fixation de jauge non linéaire qui a permis de généraliser certaines identités de Ward du secteur de Higgs.

Ce travail est composé de deux parties.<br /><br />La première partie concerne l' étude de l'amas de galaxies Abell 85 en utilisant les données en rayons X du satellite ROSAT ainsi que des données optiques et radio. Plusieurs méthodes d'analyse ont été appliquées aux données. Nous avons ainsi pu étudier des régions particulières de l'amas comme la partie centrale, siège des courants de refroidissement ou la région de la radiosource 0038-096 où la mesure des flux X et radio a permis d'obtenir la valeur du champ magnétique.<br /><br />Une seconde partie du travail a consisté à étudier les <br />caractéristiques des courants de refroidissement ainsi que la masse de gaz et de matière noire dans 11 amas de galaxies, grâce à un programme conçu pour ajuster les données de ROSAT. Nous avons également obtenu la fraction de baryons de ces amas et discuté les conséquences cosmologiques des valeurs obtenues.

Les amas de galaxies sont des surdensites de matiere <br />gravitationnellement liees remplies d'un gaz chaud et ionise <br />emettant un rayonnement X. Ils se forment durant des phases <br />d'accretion de sous-groupes, au cours desquelles le gaz subit des <br />processus de choc et de melange qui perturbent ses proprietes <br />physiques a l'equilibre hydrostatique. Pour cartographier les <br />distributions spatiales d'emissivite, de temperature et d'entropie du <br />plasma intergalactique observe par les telescopes X, nous avons <br />compare differents algorithmes d'imagerie multiechelle, puis <br />developpe et teste un nouvel algorithme de spectro-imagerie. Dans <br />cet algorithme, le parametre recherche est estime a partir d'une <br />statistique de comptage dans differents elements de resolution <br />spatiaux, puis ses variations spatio-frequentielles sont codees par <br />des coefficients en ondelettes de Haar. La distribution spatiale <br />optimale du parametre est finalement restauree en seuillant la <br />transformee en ondelettes bruitee.

Les amas de galaxies sont les objets les plus grands gravitationnellement liés dans l'Univers ayant atteint un état d'équilibre. Dans le scénario de formation hiérarchique des structures, dans lequel les petites structures se forment avant les grandes, les amas représentent les objets les plus jeunes. Ils contiennent encore de l'information sur l'effondrement initial de la perturbation de densité qui leur a donné naissance. Les amas possèdent trois composantes majeures: les galaxies, un gaz très chaud et optiquement mince (le milieu intra-amas -- MIA) qui émet dans le domaine des rayons X, et la matière noire. Comme les amas sont dominés par la matière noire, ils fournissent une opportunité unique pour extraire des informations sur cette sorte de matière à travers les forces gravitationnelles qu'elle engendre. La fraction baryonique dans les amas est similaire à celle de l'Univers dans son ensemble. Avec l'information sur la nucléosynthèse primordiale, qui donne des contraintes sur la densité baryonique $\Omega_b$ dans l'univers, il est possible de determiner avec la fraction de baryon dans les amas le paramètre cosmologique de densité de matière $\Omega_m$, qui donne typiquement $\Omega_m$=0.2-0.4. Les amas grandissent par fusion avec d'autres amas de galaxies, ce qui est lié à la distribution globale de matière dans l'Univers. Le MIA est un traceur idéal pour les processus de fusion et permet à travers ses distributions en densité et en température de reconstruire l'histoire des amas, ce qui donne de l'information sur la formation des structures. De plus, la comparaison des caractéristiques des amas distants avec celles des amas proches permet d'étudier l'évolution de la formation des structures. Les amas montrent, comme le prédit la théorie, une forte auto-similarité, ce qui indique que notre compréhension sur la formation des structures est globallement correcte. Les faits mentionnés ici montrent que les amas sont des outils puissants pour étudier la cosmologie et la formation des structures, ce qui sera décrit plus en détail dans ce travail.

Les anisotropies du fond diffus cosmologique (CMB) sont une mine d'informations sur la physique de l'Univers primordial. Leur spectre spatial de puissance depend des parametres cosmologiques qui caracterisent le contenu et l'evolution de l'Univers. La mesure precise de ce spectre de puissance permet de contraindre fortement les modeles, mais est rendue difficile par la presence de emissions astrophysiques d'avant-plan qui se superposent au signal primordial. Apres une presentation succinte du modele standard de la cosmologie et des differentes sources d'emission dans le domaine millimetrique, nous passons en revue les methodes de separation de composantes couramment employees au sein de la communaute. Nous developpons dans cette these des methodes ameliorees pour la separation et la caracterisation des composantes de signal et de bruit presentes dans les donnees. Tout d'abord, les methodes classiques, basees sur un modele extremement simplifie, ne permettent pas de separer efficacement certaines composantes systematiques instrumentales correlees entre les detecteurs. Nous presentons une methode de separation de composante adaptee au traitement de tels effets systematiques. Cette technique est testee sur des simulations d'observation du satellite Planck.Par ailleurs, les methodes "standard" de separation de composantes ne sont pas entierement satisfaisantes, car elles ne sont pas optimisees pour l'estimation des spectres de puissance, et elles necessitent la connaissance, a priori, des spectres electromagnetiques des composantes. Nous decrivons une nouvelle methode destimation du spectre de puissance du CMB (et des autres composantes) realisant en aveugle la separation des composantes. Cette approche est validee a l'aide de nombreuses simulations. Dans une derniere partie, nous appliquons cette methode aux donnees obtenues avec l'experience Archeops.

La mesure du rayonnement cosmologique (CMB pour Cosmic Microwave Background) en est à un point crucial. Les expériences qui le mesurent sont de plus en plus sensibles et précises. Ce manuscrit présente deux instruments dont l'objectif est de mesurer les anisotropies de température de ce rayonnement. Dans une première partie nous présentons le travail effectué sur l'optimisation du refroidissement des détecteurs grâce a une dilution en cycle ouvert de l'3He dans l'4He dans le cadre de l'expérience satellite Planck. Trois types de supports pour l'échangeur à contre-courant permettant d'atteindre 100 mK avec une puissance disponible de 100 nW sont étudiés. Lors des essais, nous avons approfondi la compréhension de phénomènes physiques présents dans une dilution à cycle ouvert. La deuxième partie présente un filtrage original pour atteindre une grande stabilité de température à 100 mK. En réalisant différentes expériences nous démontrons l'efficacité d'un filtre continu à forte capacité calorifique. Ce filtre, en HoY, a été qualifié d'un point de vue spatial afin d'être utilisé pour le satellite Planck. La troisième partie de ce manuscrit est entièrement consacrée à l'expérience Archeops. Dans ce cadre nous avons développé un cryostat spécifique pour la mesure en ballon stratosphérique. Cette expérience nous a permis d'approfondir plusieurs domaines de la mesure du CMB telles que la bolométrie, l'électronique et l'analyse d'un signal complexe. Les données prometteuses du dernier vol devraient contraindre les paramètres cosmologiques.