L’époque de réionisation (EoR) est une phase de grands changements qu’a subit l’Univers dans son premier milliard d’années. Suite à l’apparition des premières étoiles et à l’émission de photons énergétique par ces dernières, l’hydrogène a été réionisé. Cette transition a eu un impact sur la formation des galaxies. J’ai activement participé au développement d’EMMA, un code de simulation numérique ayant pour objectif d’étudier les processus à l’œuvre durant l’EoR. J’ai développé et implémenté un modèle de formation et d’évolution stellaire. Ces travaux ont contribué à la réalisation d’une simulation dédiée à l’étude de l’EoR parmi les plus grosses réalisées à l’heure actuelle. J’ai contribué au développement d’outils dédiés à l’exploration de simulations de ce type. J’ai étudié la façon dont le rayonnement s’échappe des galaxies en fonction des paramètres du modèle stellaire, et montré que les supernovæ peuvent augmenter la fraction de photons libérés. J’ai également étudié la propagation des fronts d’ionisation et montré qu’il était possible de réduire la vitesse de la lumière par trois (et ainsi diminuer le temps de calcul du transfert du rayonnement par 3), tout en conservant des résultats corrects ? / The epoch of reionization (EoR) is a phase of big changes in the first billion years of the Universe history. After the apparition of the first stars and the emission of energetic radiation by thoses ones, the hydrogen was reionized. This transition has an impact on the galaxies formations. I was part of the development team of EMMA, a numerical simulation code who aimed to study the processes happening during the EoR. I developed and implement a stellar formation and evolution model. These works contributed to the realisation of one of the biggest simulation dedicated to the study of the EoR yet. I contribute to the development of a tool dedicated to the exploration of this kind of simulations. I study how the radiation escaped the galaxies as a function of the parameters of the stellar model, and showed that supernovae could increase the ratio of escaping photon. I also studied the ionization fronts propagation and showed that the speed of light could be reduced by a factor 3 (and then divide the computational cost of the radiative transfer by 3), while keeping corrects results .

La description actuelle des interactions fondamentales repose sur deux théories ayant le statut de modèle standard. Les interactions électromagnétiques et nucléaires sont décrites à un niveau quantique par le Modèle Standard de la physique des particules, alliant théories de jauge et brisures spontanées de symétrie par le mécanisme de Higgs. À l'opposé, l'interaction gravitationnelle est décrite par la relativité générale,basée sur une description dynamique de l'espace-temps dans un cadre classique.Bien que ces deux modèles soient vérifiés avec une grande précision dansle système solaire, ils sont affligés d’un certain nombre de problèmes théoriques et manquent de force prédictive aussi bien à l'échelle de Planck qu’à l'échelle cosmologique ;ils ne sont par conséquent plus perçus comme fondamentaux. La cosmologie, dont la phénoménologie fait apparaitre ces deux échelles extrêmes, apparaît alors comme un laboratoire privilégié pour tester les théories au delà de ces modèles standards.La première partie de cette thèse concerne l'étude des cordes cosmiques, défauts topologiques se formant lors de la brisure spontanée de théories de grande unification dans l'univers primordial.J’y montre notamment comment étudier ces défauts en prenant en compte la structure complète des théories de physique des particules dont ils sont issus, ce qui représente une avancée importante par rapport à la description courante en termes de modèles ”jouets”très simplifiés. La deuxième partie de cette thèse consiste en la construction et l'étude de différentes théories de gravité modifiée liées au modèle de Galiléon, un modèle tentant notamment d'expliquer la phénoménologie liée à l'énergie noire. / The current description of fundamental interactions is based on two theories with the status of standard models. The electromagnetic and nuclear interactions are described at a quantum level by the Standard Model of particle physics, using tools like gauge theories and spontaneous symmetry breaking by the Higgs mechanism. The gravitational interaction is described on the other hand by general relativity, based on a dynamical description of space-time at a classical level.Although these models are verified to high precision in the solar system experiments, they suffer from several theoretical weaknesses and a lack of predictive power at the Planck scale as well as at cosmological scales; they are thus not viewed anymore as fundamental theories. As its phenomenology involves both these extreme scales, cosmology is then a good laboratory to probe theories going beyond these standard models.The first part of this thesis focus on cosmic strings, topological defects forming during the spontaneous symmetry breaking of grand unified theories in the early universe. I show especially how to study these defects while taking into account the complete structure of the particles physics models leading to their formation, going beyond the standard descriptions in terms of simplified toy-models. The second part is devoted to the construction and the examination of different theories of modified gravity related to the Galileon model, a model which tries in particular to explain the dark energy phenomenology.

Le modèle cosmologique standard possède plusieurs lacunes pour une description pertinente de l’évolution de notre univers et de ses constituants. Tout d’abord, il laisse en suspens l’explication de l’origine de la matière noire et de l’énergie sombre. Ces composants, introduits ad hoc afin de satisfaire aux observations, représentent ensemble environ 95% du contenu en énergie de l’univers. Un second problème concerne l’indépendance d’échelle du modèle : quel que soit l’échelle du système considéré, il est attendu une dynamique et une géométrie identiques. Il est possible de se détourner du modèle standard et de s’intéresser à des cosmologies inhomogènes et à leur évolution moyenne. Selon ce formalisme, les inhomogénéités au sein d’une échelle influencent globalement la dynamique de cette dernière par un effet dit de rétroaction. Cette démarche très riche propose également une explication élégante au problème des constituants sombres : tous deux apparaissent comme une manifestation effective des inhomogénéités de distributions de matière et de géométrie. Cette thèse s’intéresse aux propriétés des modèles inhomogènes moyennés en relativité générale. Nous proposons dans un premier temps de décrire le comportement global des inhomogénéités selon une évolution de Chaplygin, et selon une évolution de Ginzburg-Landau. Nous montrons également l’instabilité gravitationnelle globale des solutions de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker. Cette classe de solutions est connue comme étant localement instable sous l’introduction de perturbations ; ici nous montrons qualitativement qu’elle ne fournit pas, en général, une approximation correcte en tant que fond physique. Nous présentons finalement une nouvelle théorie relativiste perturbative, pour laquelle les inhomogénéités scalaires évoluent autour d’un fond général, et non plus autour d’un fond de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker pré-défini. Cette nouvelle étude étend l’applicabilité des cosmologies inhomogènes, et pourrait éventuellement expliquer la formation des grandes structures sans recours à l’énergie noire / The standard cosmological model possesses some shortcomings for a relevent description of our universe and its constituents. First, it leaves in suspense the explanation of the origin of dark matter and dark energy. These components, introduced ad hoc in order to fit the observations, represent about 95% of the total energy. A second issue concerns the scale-independence of the model: whatever the scale of the considered system, it is expected identical dynamics and geometry. It is advisable to abandon the standard model and to focus on inhomogeneous cosmologies, and their average evolution. According to this formalism, inhomogeneities within a chosen scale globally impact on the dynamics of this latter through a so-called backreaction effect. This very rich approach also proposes an elegant explanation for the problem of the dark constituents: both stand for an effective manifestation of the inhomogeneities in the distributions of matter and geometry. This thesis focusses on the properties of averaged inhomogeneous models in general relativity. We first propose to describe the global behaviour of inhomogeneities according to a Chaplygin evolution, and according to a Ginzburg-Landau evolution. We also show the global gravitational instability of Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker solutions. This class of solutions is already known to be locally gravitationaly unstable under the introduction of perturbations; here we show qualitatively that it does not furnish, in general, a good approximation as a physical background. We finally present a new relativistic perturbative scheme, in which scalar inhomogeneities evolve on a general background rather than on a pre-defined Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker background. This new study extends the framework of application for inhomogeneous cosmologies, and may possibly explain the large-scale structure formation without the need for dark energy

Pendant mes trois ans de doctorat j'ai eu le plaisir de travailler sur trois projets très variés ayant un but commun: mieux contraindre certains modèles de nouvelle physique entre cosmolo- gie et le LHC. Le fait que les densités reliques de matière noire et de baryons sont similaires semble indiquer qu'il y a un lien entre les deux. Nous essayons d'expliquer les valeurs observées en reliant un modèle de leptogenèse au miracle des WIMPs, qui produit naturellement la bonne densité relique. Si l'asymétrie baryonique est produit dans des désintégrations hors équilibre à l'échelle électro-faible et si la matière noire est constituée de WIMPs, les deux densités reliques sont con- trôlées par des processus électro-faibles hors équilibre. Je construis un modèle de leptogenèse à l'échelle du TeV en utilisant une extension du type seesaw inverse du modèle standard avec des singlets additionnels. Pour produire suffisamment d'asymétrie baryonique il faut une violation CP ∼ O(1) qui est difficile à obtenir dans mon cadre. Les axions, tout comme les WIMPs sont de bons candidats de matière noire bien motivés. Il serait très utile de pouvoir les distinguer. Sikivie argumente que si des axions sont dans un condensat de Bose-Einstein, alors ils forment des halos galactiques différents des halos de WIMPs. D'après Sikivie ce sont les interactions gravitationnelles qui thermalisent les axions et qui les condensent. La formation d'un condensat nécessite la génération d'entropie qui ne peut pas être fourni par les interactions gravitationnelles au premier ordre. J'étudie la génération d'entropie par les interactions gravitationnelles en estimant une longueur de dissipation dans le fluide d'axions qui vient de la présence d'une pression anisotrope. Je ne peux pas confirmer la thermalisation rapide d'axions causé par leurs interactions gravitationnelles. Des nouveaux bosons de jauges comme le Z' apparaissent dans un grand nombre d'extensions du modèle standard. On les recherche le plus souvent comme une résonance dans le spectre de masse invariante de leurs produits de désintégration. Le Z' doit être produit sur couche de masse dans ces recherches résonantes. Mais la présence d'un Z' peut aussi influencer d'autres observ- ables cinématiques sans être produit directement, ce qu'on peut utiliser dans des recherches non-résonantes. Je compare ces deux types de recherches au LHC et trouve que pour des petits couplages les recherches résonantes sont plus adaptées mais pour de plus grandes masses et couplages les recherches non-résonantes sont plus performantes / During the three years as a PhD student I had the pleasure to work on three major projects which are united in the goal to better constrain new physics models between cosmology and the LHC. The similar values of dark matter and baryon relic abundances raise the question whether there is a link between them. We attempt to explain the observed values by relating leptogenesis to the WIMP miracle which gives naturally the right relic abundance. If the baryon asymmetry is produced in electroweak-scale-out-of-equilibrium decays and dark matter is made of WIMPs, both relic densities are controlled by electroweak scale interactions going out of equilibrium. We construct a TeV-scale leptogenesis model using an inverse-seesaw extension of the SM with additional singlets. To produce a large enough asymmetry we require CP violation ∼ O(1) which is difficult to achieve in our set-up. Axions as well as WIMPs are well motivated dark matter candidates. It would be very useful to be able to tell them apart. Sikivie argues that if axions are in a Bose-Einstein condensate they could form a different galactic dark matter halo than WIMPs and that gravitational interactions drive axions into a Bose-Einstein condensate. However for the formation of such a condensate entropy generation is needed which leading order gravitational interactions do not provide. We explore the entropy generation of gravitational interactions by estimating a dissipation scale in the axion fluid due to the presence of a anisotropic stress. We cannot confirm a fast gravitational thermalisation rate. New neutral gauge bosons like the Z' are generic extensions of the standard model which appear in many different models. Traditionally these particles are searched for in resonant searches at colliders, i.e. by producing the particles on-shell and looking for a resonance in the invariant mass spectrum of their decay products. However the presence of a Z' can also affect other kinematic observables without being actually produced on-shell, i.e. non-resonant searches. We compare compare resonant and non-resonant searches at the LHC and find that while for small couplings resonant searches are more sensitive, for larger couplings non-resonant searches are more efficient

Les missions modernes permettent d’accéder à des mesures de qualité pour les grandes structures, en échantillonnant la distribution de galaxies en détail jusque dans les régions les moins denses, les vides. Toutefois, nous observons les vides dans l’espace des redshift, ce qui limite notre connaissance de ces structures. Afin d’utiliser les vides en tant qu’outils cosmologiques de précision, il est fondamental d’obtenir leur forme dans l’espace réel. Dans cette thèse nous présentons un algorithme non-paramétrique permettant de reconstruire les profils de densité sphérique des vides empilés dans l’espace réel, sans assomption pour les distorsions en redshift. Nous obtenons donc les premiers profils de densité des vides empilés dans l’espace réel, à travers lesquels nous étudions la compensation de masse et calculons les profils de vitesses particulières des vides, se basant sur la théorie linéaire et le modèle cosmologique. Nous discutons l’utilisation des profils pour contraindre indépendamment les vitesses. Avec des catalogues simulés de galaxies, nous analysons l’effet des vitesses particulières sur les propriétés physiques des vides. Enfin nous calculons une prédiction du nombre de vides que fournira la future mission Euclid et des contraintes que ce nombre de vides donnera sur les paramètres cosmologiques (grâce au formalisme de Fisher). Les profils de densité de vides dans l’espace réel peuvent être utilisés pour tester les modèles cosmologiques (à travers l’étude de l’effet des vitesses particulières et l’amélioration du test de Alcock-Paczynski); l’étude des vides promet donc d’apporter des informations indépendantes pour éclaircir le mystère de l’énergie obscure. / Modern surveys allow us to access to high quality measurements, by sampling the galaxy distribution in detail also in the emptier regions, voids. When we observe cosmic voids, however, we observe them in redshift-space: their real shape remains inaccessible to us, thus limiting our knowledge about such structures. To employ voids as a precision tool for Cosmology, it is fundamental to obtain their real-space shape. This thesis presents a model-independent non-parametric algorithm to reconstruct the spherical density profiles of stacked voids in real space, without assumptions about redshift distortions. With this algorithm, we obtain the first ever real-space density profiles of stacked voids. With the profiles we study the mass compensation and obtain a theoretical prediction for the velocity profiles of voids based on linear theory and assuming cosmological parameters. In parallel, we discuss the use of the real-space profiles to obtain model-independent information about the peculiar velocity profiles of voids. Also, using mock catalogues, we analyse the effect of peculiar velocities on void properties and discuss it in the framework of current and future surveys. Finally we calculate a forecast for void abundances with the future Euclid mission and obtain, using the Fisher matrix formalism, a prediction for the constraints that void abundances will set on cosmological parameters. The real-space profiles of voids can be used to test cosmological models (through the understanding of peculiar velocities effects and the improvement of the Alcock-Paczynski test); and void abundances promise to bring independent information and to shed light on the mystery of dark energy.

Des systèmes d'absorption Lorentziens, qui sondent les nuages de gaz HI de plus hautes densités de colonne, servent ici à sonder les environnements de galaxies hôtes de noyaux actifs à grand décalage spectral (z > 2). Ceci permet d'étudier l'effet des mécanismes de rétroaction des noyaux actifs sur les galaxies hôtes, tel que les vents à haute vitesse et l'ionisation intense. J'implémente deux techniques pour identifier les systèmes Lorentziens au décalage spectral du quasar dans les données du Sloan Digital Sky Survey III Baryon Oscillation Spectroscopic Survey.Un tel système Lorentzien fait office de coronographe naturel puisqu'il absorbe complètement le rayonnement provenant du noyau actif. Parfois une raie Lyα étroite émise par la galaxie est superposée à l'absorption. J'étudie un échantillon statistiquement complet et je caractérise l'émission. Les systèmes Lorentziens qui révèlent les raies étroites d'émission Lyα les plus lumineuses proviennent de nuages denses et compacts dans la galaxie hôte. Les autres sont dus à des galaxies voisines du quasars.Une deuxième technique consiste à observer des paires de quasars ayant une petite séparation angulaire pour sonder les environnements des galaxies hôtes à des distances transverses inférieures à 90 kpc. J'analyse les propriétés du gaz pour des paires où un système Lorentzien apparait dans le spectre du quasar d'arrière plan coïncident avec le pic d'émission Lyα du quasar de premier plan.Dans une des paires, je détecte une sur-densité de systèmes absorbants à z = 2.69 dans une région correspondant à 6.4 Mpc en distance propre. Les propriétés de cette région suggèrent un filament du milieu intergalactique. / Damped Lyman-α absorbers (DLAs), the highest column density HI Lyman-α (Lyα) absorptions, are used in this thesis to study the environments of high-redshift (z > 2) quasar host galaxies. This is essential for determining how feedback mechanisms from active galactic nuclei (AGN), including high-velocity winds and intense ionizing radiation, impact the host galaxies. Thanks to the large number of quasar sight-lines from the Sloan Digital Sky Survey III Baryon Oscillation Spectroscopic Survey, I implement two techniques to identify DLAs that occur at the quasar redshift.Along the sight-line, these DLAs act as natural coronagraphs and completely absorb the broad Lyα emission from the central AGN. In some cases, a narrow Lyα emission line from the quasar host galaxy is superimposed on the DLA trough. I compare coronagraph DLAs that reveal narrow Lyα emission with those that do not in a statistically complete sample and characterize the emission. DLAs with the most luminous narrow Lyα emission peaks may arise from dense, compact clouds in the host galaxy, while the others may be due to neighboring galaxies. With a second technique, I use pairs of quasars with small angular separations to investigate host galaxy environments at distances of less than 90 kpc in the transverse direction. I analyze the gas properties for pairs where a DLA appears in the background quasar spectrum coincident with the foreground quasar Lyα emission peak.In one of the pairs, I also detect an overdensity of Lyman-limit system absorbers at z = 2.69 in a region spanning 2000 km/s (6.4 Mpc proper distance) along the two sight-lines. The overdense region properties suggest an intergalactic medium filament.

Dans cette thèse sur articles, nous nous intéressons aux grandes structures de l’Univers et à leur rôle fondamental pour la cosmologie et la formation des galaxies. Les galaxies naissent et grandissent au sein des filaments de la toile cosmique soulevant la question de l’impact de ces filaments sur les propriétés galactiques telles que la morphologie. Pour étudier cette question fondamentale, nous allons dans un premier temps montrer que dans les simulations numériques de l’Univers, le spin des galaxies est fortement lié à la direction de leur filament hôte avec un comportement qui dépend de leur masse. Ces corrélations spin-filament seront expliquées qualitativement dans le contexte de la formation hiérarchique des structures cosmologiques. Un modèle analytique tenant compte de l’anisotropie de la toile cosmique complètera ce tableau en reproduisant les corrélations observées. Ces idées sont importantes pour comprendre la morphologie des galaxies mais aussi les alignements intrinsèques qui peuvent certaines sondes cosmologiques basées sur la mesure de l’astigmatisme cosmique. Nous allons en particulier mesurer cette contamination dans une simulation hydrodynamique. Dans la seconde partie de ce manuscrit, nous nous poserons la question de comment extraire efficacement de l’information de la toile cosmique en mesurant sa topologie et sa géométrie et en utilisant la théorie perturbative dans un régime quasi-linéaire, la pierre angulaire de ce travail reposant sur l’étude analytique de l’impact de l’effondrement non-linéaire des structures et des distorsions en espace des redshifts sur la statistique du champ de densité cosmique. / This thesis by publication is devoted to the theoretical understanding of the large-scale structure of the Universe and its role in the context of cosmology and galaxy formation. The birth and evolution of galaxies occur within the large cosmic highways drawn by the cosmic web and the natural question which arises is whether galaxies retain a memory of the large-scale cosmic flows from which they emerge. To address this key question, we will first show that in cosmological simulations, the spin of galaxies and the direction of their host filament are correlated in a mass-dependent way. This signal will be shown to be qualitatively understood in the context of hierarchical structure formation. An analytic model which explicitly takes into account the anisotropy of the cosmic web will complement this qualitative understanding by reproducing the measured correlations. Those ideas are important to understand the evolution of galaxy morphology but also to understand the intrinsic alignments of galaxies that contaminate cosmological probes like cosmic shear experiments. We will in particular measure this contamination directly from a state-of-the-art hydrodynamical simulation. In a second part, we will address the question of how to efficiently use large-scale structure data to probe the cosmological model describing our Universe by measuring its topology and geometry and using perturbation theory in the weakly and even mildly non-linear regime. The major contribution of this work is to analytically study the effect of redshift space distortions and non-linear collapse of structures on the topology, geometry and statistics of the cosmic density field.

Dans cette thèse sur articles nous nous intéressons aux contraintes observationnelles sur les modèles d'inflation cosmologique et nous étudions certains aspects fondamentaux liés à la nature quantique de la physique inflationnaire. Nous commençons par analyser de façon systématique les modèles à un champ scalaire et avec terme cinétique standard. Dans l'approximation du roulement lent, et en intégrant les contraintes venant du réchauffement, nous dérivons les prédictions associées à environ 75 potentiels. Nous utilisons ensuite les techniques d'inférence Bayésienne pour classer près de 200 modèles inflationnaires et contraindre leurs paramètres. Cela permet d'identifier les modèles favorisés par les observations et de quantifier les niveaux de tensions entre les différents jeux de données. L'intérêt d'une telle approche est renforcé par l'étude de méthodes indépendantes du modèle telle que le ``flot de Hubble'', qui se révèle biaisé. Nous calculons également le spectre de puissance au deuxième ordre pour les modèles d'inflation-k.Ensuite, nous décrivons certains aspects quantiques de la physique inflationnaire. Le formalisme de l'inflation stochastique est notamment utilisé dans le cadre du modèle à deux champs d'inflation hybride. Nous discutons les corrections quantiques sur les prédictions de ce modèle, et à l'aide d'un formalisme récursif, nous nous intéressons à la façon dont elles modifient l'amplitude des perturbations. Finalement, la transition quantique-classique et le problème de la mesure quantique sont étudiés dans un contexte cosmologique. Un modèle de réduction dynamique du paquet d'onde est appliqué à la description des perturbations inflationnaires. / This thesis by publication is devoted to the study of the observational constraints on cosmological inflationary models, and to the investigation of fundamental aspects related to the quantum nature of the inflationary physics.We first present a systematic analysis of all single-scalar-field inflationary models with canonical kinetic terms. Reheating consistent slow-roll predictions are derived for ~ 75 potentials, and Bayesian inference and model comparison techniques are developed to arrange a landscape of ~ 200 inflationary models and associated priors. In this way, we discuss what are the best models of inflation, and we properly quantify tension between data sets. Related to this massive sampling, we highlight the shortcomings of model independent approaches such as the one of ``horizon-flow''. We also pave the way for extending our computational pipeline to k-inflation models by calculating the power spectrum at next-to-next-to leading order for this class of models.In a second part, we describe some aspects related to the quantum nature of the inflationary setup. In particular, we make use of the stochastic inflation formalism, which incorporates the quantum corrections to the inflationary dynamics, in the two-field model of hybrid inflation. We discuss how the quantum diffusion can affect the observable predictions in such models, and we design a recursive strategy that incorporates its effects on the perturbations amplitude. Finally, we investigate the quantum-to-classical transition and the quantum measurement problem in a cosmological context. We apply a dynamical wavefunction collapse model to the description of inflationary perturbations.

Les trous noirs supermassifs résident dans les centres de la plupart des galaxies massives et on observe des corrélations entre leurs masses et les propriétés de leurs galaxies hôtes. De plus, on observe des trous noirs de plus d’un milliard de masses solaires quelques centaines de millions d’années seulement après le Big Bang. Ces trous noirs supermassifs présents dans l’univers jeune ne sont que le sommet de l’iceberg de l’ensemble de la population de trous noirs, mais ils mettent en question notre compréhension de la formation et de la croissance des premiers trous noirs. Notre nouvelle méthode améliorant le calcul de la densité de colonne de H2 donne des probabilités pour former des graines massives de trous noirs qui sont plus d’un ordre de grandeur plus élevées que prédit précédemment. Nous trouvons que CR7 pourrait être le premier candidat à héberger un tel trou noir formé par effondrement direct et nous démentons l’existence initialement revendiquée d’une population stellaire massive primordial dans CR7. Nous calculons la densité des taux de fusion des trous noirs binaires des premières étoiles et leurs taux de détection avec aLIGO. Notre modèle démontre que les détections des ondes gravitationnelles à venir au cours des prochaines décennies permettront d’imposer des contraintes plus strictes sur les propriétés des premières étoiles et donc sur les scénarios de formation des premiers trous noirs. Nous développons un modèle analytique en 2D de la rétroaction des noyaux actifs de galaxie pour démontrer qu’un profil de disque plus réaliste réduit la quantité de gaz qui est éjectée du halo par rapport aux modèles 1D existants. La rétroaction empêche l’accretion de gaz sur le trou noir central pendant seulement ∼1 million d’année environ, ce qui permet une accretion de gaz presque continue dans le plan du disque. Avec cette thèse, je contribue à une meilleure compréhension de la formation et la croissance des premiers trous noirs supermassifs. / Supermassive black holes reside in the centres of most massive galaxies and we observe correlations between their mass and properties of the host galaxies. Besides this correlation between a galaxy and its central black hole (BH), we see BHs more massive than one billion solar masses already a few hundred million years after the Big Bang. These supermassive BHs at high redshift are just the tip of the iceberg of the entire BH population, but they challenge our understanding of the formation and growth of the first BHs. Our improved method to calculate H2 self-shielding yields probabilities to form massive seed BHs that are more than one order of magnitude higher, than previously expected. We find that CR7 might be the first candidate to host such a direct collapse BH and we disprove the initially claimed existence of a massive metal-free stellar population in CR7. We calculate the merger rate density of binary BHs from the first stars and their detection rates with aLIGO. Our model demonstrates that upcoming detections of gravitational waves in the next decades will allow to put tighter constraints on the properties of the first stars and therefore on formation scenarios of the first BHs. We develop a 2D analytical model of active galactic nuclei-driven outflows to demonstrate that a more realistic disc profile reduces the amount of gas that is ejected out of the halo, compared to existing 1D models. The outflow prevents gas accretion on to the central BH for only about ∼1Myr, which permits almost continuous gas inflow in the disc plane. With this thesis, I contribute to a better understanding of the formation and growth of the first supermassive BHs.

Le rayonnement fossile, ou CMB, est un sujet d’étude clé pour la cosmologie car il indique l’état de l’univers à une époque primordiale. Le CMB est observable dans le ciel dans la bande de fréquences des micro-ondes. Cependant, il existe des processus astrophysiques, les avant-plans, qui émettent dans les micro-ondes, et rendent indispensable le traitement des données avec des méthodes de séparation de composantes. J'utilisé la méthode aveugle SMICA pour obtenir une estimation directe du spectre de puissance angulaire du CMB. La détermination des petites échelles de ce spectre est limité par les avant-plans comme les galaxies lointaines, et par le biais du bruit. Dans cette analyse, ces deux limitations sont abordées. En ajoutant des hypothèses sur la physique des galaxies lointaines, il est possible de guider l’algorithme pour estimer leur loi d'émission. Un spectre de puissance angulaire obtenu d'une carte du ciel a un biais dû au bruit à petites échelles. Toutefois, les spectres obtenus en croisant différentes cartes n'ont pas ce biais. J'ai donc adapté la méthode SMICA pour qu'elle n'utilise que ces derniers, diminuant l'incertitude due au bruit dans l'estimation du CMB. Cette méthode a été étudiée sur des nombreuses simulations et sur les données Planck 2015, afin d'estimer des paramètres cosmologiques. Les résultats montrent que la contamination résiduelle des avant-plans présente dans le spectre CMB, même si fortement réduite, peut introduire des biais dans l'estimation des paramètres si la forme des résiduels n'est pas bien connue. Dans cette thèse, je montre les résultats obtenus en étudiant un modèle de gravité modifiée. / The Planck satellite observed the whole sky at various frequencies in the microwave range. These data are of high value to cosmology, since they help understanding the primordial universe through the observation of the cosmic microwave background (CMB) signal. To extract the CMB information, astrophysical foreground emissions need to be removed via component separation techniques. In this work I use the blind component separation method SMICA to estimate the CMB angular power spectrum with the aim of using it for the estimation of cosmological parameters. In order to do so, small scales limitations as the residual contamination of unresolved point sources and the noise need to be addressed. In particular, the point sources are modelled as two independent populations with a flat angular power spectrum: by adding this information, the SMICA method is able to recover the joint emission law of point sources. Auto-spectra deriving from one sky map have a noise bias at small scales, while cross-spectra show no such bias. This is particularly true in the case of cross-spectra between data-splits, corresponding to sky maps with the same astrophysical content but different noise properties. I thus adapt SMICA to use data-split cross-spectra only. The obtained CMB spectra from simulations and Planck 2015 data are used to estimate cosmological parameters. Results show that this estimation can be biased if the shape of the (weak) foreground residuals in the angular power spectrum is not well known. In the end, I also present results of the study of a Modified Gravity model called Induced Gravity.