Cette thèse d'habilitation consiste en trois petits articles de revue indépendants, couvrant mes activités passées au sein du groupe de cosmologie du LPNHE. Le premier chapitre est consacré à la mesure de l'histoire de l'expansion cosmique avec des supernovae de type Ia (SNe Ia). Les techniques de détermination de distance de luminosité mises en oeuvre au sein du Supernova Legacy Survey (SNLS) sont détaillées. Les résultats de l'analyse des trois premières années de données du SNLS sont présentés. Le second chapitre traite d'un ingrédient essentiel de ce type d'analyse, à savoir la calibration photométrique des imageurs grand-champ utilisés pour mesurer le flux des supernovae. Les techniques développées pour la calibration du survey SNLS (Regnault et al, 2009), puis quelques années plus tard pour l'intercalibration des surveys SNLS et SDSS-II (Betoule et al, 2013) sont présentées en détail. Enfin, le dernier chapitre présente les nouveaux projets de calibration instrumentale imaginés par plusieurs équipes dans le monde. Dans notre exposé, l'accent est mis sur le projet de calibration DICE, développé par le groupe du LPNHE. Au coeur de DICE est une source de calibration multi-longueur d'onde ultra-stable, réalisée au laboratoire, et testée notamment auprès du Canada-France-Hawaii Telescope (CFHT, Mauna Kea, Hawaii).

Cette thèse étudie les modèles cosmologiques homogènes mais anisotropes en théories tenseur-scalaire. Son but est de déterminer les propriétés que doivent avoir ces théories afin que ces modèles possèdent asymptotiquement les caractéristiques dynamiques de notre Univers actuel ou apportent une réponse à certains de ses problèmes comme ceux de la constante cosmologique. La première partie de la thèse est consacrée à une introduction historique et à une justification physique des théories tenseur-scalaires de la gravitation et des modèles cosmologiques anisotropes. La seconde partie détaille les notions mathématiques nécessaires à la compréhension de cette thèse, à savoir la classification des cosmologies anisotropes et l'écriture des équations de champs dans le formalisme Lagrangien et Hamiltonien. La troisième partie est composée d'une série de sept articles montrant comment l'on peut parvenir à contraindre les théories tenseur-scalaires à l'aide de solutions exactes, en exigeant que l'Univers possède certains comportements dynamiques (expansion, inflation, etc), soit dépourvu de singularité ou possède une symétrie de Noether. Dans la quatrième partie, le processus d'isotropisation des modèles anisotropes est étudié en détail pour de nombreuses classes de théories tenseur-scalaires. Des contraintes nécessaires à l'isotropisation, les comportements asymptotiques des fonctions métriques et du potentiel au voisinage de cet état sont déterminés et le phénomène de quintessence analysé. Un lien entre les champs scalaires quintessents qui pourraient peupler notre Univers et la matière noire dans les galaxies (1 article) est montré. Les six articles à l'origine de ce chapitre sont reproduits dans la sixième partie qui tient lieu d'appendice. Nous concluons dans la cinquième partie.

La BLR (broad line region) d’un noyau galactique actif (AGN) transporte la matière du tore de poussière vers le disqued’accrétion autour d’un trou noir super massif. Il faut connaître sa géométrie pour comprendre la formation et la croissancedu trou noir, comme ses relations avec la luminosité du noyau. L’échographie lumineuse ou « reverberation mapping » permetd’estimer le rayon équivalent de la BLR ainsi que la masse du trou noir et donne des lois masse-luminosité et rayon-luminositédont la précision, limitée par les inconnues géométriques, reste insuffisante pour des applications cosmologiques.L’interférométrie optique avec le VLTI donne des mesures indépendantes de cette masse et de ces paramètres géométriqueset mesure un rayon angulaire équivalent, ce qui donne une mesure directe de distance. Nous avons développé un modèle 3Dde BLR et une méthode Bayésienne d’ajustement des paramètres qui nous ont permis de montrer que la combinaison del’échographie et de l’interférométrie donnera des mesures de masse et de distance à mieux que 15% près à un milliard deparsec. Nous appliquons ces outils aux toutes premières observations avec l’instrument AMBER de la BLR du quasar 3C273et nous montrons et expliquons qu’elle est bien plus grande que prédit par échographie et s’étend au delà du bord interne dutore de poussière, avec une géométrie quasi sphérique. Ces résultats sont extrapolés à la nouvelle génération d’instrument duVLTI pour montrer que cet interféromètre permettra de calibrer les méthodes échographiques pour transformer les quasarsen sondes cosmologiques majeures. / The broad line region (BLR) of Active Galactic Nuclei (AGN) contains the high velocity gas clouds transporting materialfrom the dust torus to the accretion disk around the central super massive black hole (SMBH). Unveiling BLR structure iscritical to understand the accretion mechanism driving the SMBH evolution and shaping the AGN inflows, outflows and jets.Reverberation Mapping (RM) constrains the BLR geometry, kinematic, mass and equivalent linear size with parameterdegeneracies and fudge factors depending from the source geometry. Optical Interferometry (OI) yields independentconstrains on BLR structure, mass and equivalent angular size. We developed a 3D geometrical model of BLRs to estimateboth RM and OI measures and to show that the combination of these two techniques will very substantially reduce theuncertainty of mass estimates and yield direct distance measurement from “quasar parallax”. We used this model and a MonteCarlo Markov Chain Bayesian parameter fit of simulated data to show that quasar parallax can measure distances withaccuracy better than 15%. We used it on actual data to interpret and explain our first OI observations of the BLR of thebright quasar 3C273 found to have a BLR of about 1750±35 light days (ld) much larger than predicted by RM (450±120 ld)and larger than the inner rim of the dust torus of about 800±270 ld, yielding a SMBH mass of 5±1 108 solar masses. Ourmodel and SNR computations show that the VLTI incoming instruments can observe about 60 BLRs covering more than 4decades of luminosity, enough to try a grand unification of BLRs models and a calibration of RM making QSOs majorcosmological probes.

Cette thése est dédiée à la mesure des anisotropies du Fond Diffus Cosmologique (CMB) ainsi qu'à la caractérisation des émissions d'avant-plan galactiques. Les travaux que nous avons réalisés s'inscrivent dans le cadre de la préparation à l'analyse des données du satellite PLANCK. Cette thèse débute pas une description du modèle de Big Bang chaud et de la physique du CMB. Ensuite un état des lieux des expériences dédiées à la mesure du CMB est dressé, donnant lieu à la présentation des expériences Archeops, WMAP et PLANCK. Une deuxième partie est dédiée à la présentation des émissions galactiques diffuses puis à l'étude de ces émissions dans le plan galactique, permettant d'établir des cartes partielles des variations spatiales de la température des grains de poussière et des indices spectraux des émissions synchrotron et de poussière. Une troisième partie est dédiée à l'étude des deux principales émissions galactiques polarisées diffuses : les émissions synchrotron et de la poussière. Nous avons étudié des modèles effectifs de ces émissions basés sur l'utilisation de cartes-patron. Ensuite nous avons construit des modèles basés sur la physique de ces émissions et les avons comparés aux données Archeops et WMAP afin de contraindre les paramètres de ces modèles. Ceci nous permet de proposer pour la première fois un modèle cohérent de ces deux émissions. Ensuite nous fournissons une méthode pour améliorer ces contraintes à l'aide des données PLANCK. Dans une dernière partie nous étudions les spectres de puissance angulaires de ces émissions galactiques et estimons la contamination du signal CMB par ces émissions d'avant-plan. Enfin nous proposons une méthode pour minimiser la contamination du signal CMB de PLANCK par l'émission de la poussière.

Le mécanisme d'instabilité gravitationnelle d'un champ de Yang-Mills est étudié via l'intégration numérique de la formulation hamiltonienne du système Einstein-Yang-Mills décrivant le couplage d'un champ de jauge à la gravitation. Une évolution en deux temps est mise en évidence: une dilution des fluctuations, conséquence de l'invariance conforme du champ, apparaît en premier lieu ; elle est suivie d'un régime d'oscillations croissantes lorsque l'on s'éloigne suffisamment de la solution homogène. Une comparaison instructive avec le mécanisme d'instabilité gravitationnelle du champ scalaire est également envisagée. Enfin, nous avons étudié l'influence de champs scalaires de quintessence sur la formation d'amas de matière noire grâce à la modification d'un code à N particules. Ceux-ci inhibent la formation des amas, en privilégiant des structures moins nombreuses et de faible masse, tout en produisant des différences assez significatives que pour permettre de discerner non seulement un modèle avec quintessence d'un autre plus conventionnel (avec constante cosmologique) mais également les divers modèles de quintessence entre eux. / The gravitational instability of Yang-Mills fields is studied by means of a numerical integration of the hamiltonian formulation of Einstein-Yang-Mills equations, which describe the coupling between gravitation and a gauge field. A two-step evolution appears to rule this mechanism: the fluctuations first dilute, as a sequel of the conformal invariance of the gauge theory; then, the fluctuations undergo oscillations of increasing amplitude as the solution moves away from the homogeneous one. An interesting comparison with the gravitational instability of a scalar field has also been made. Finally, we have established that the quintessence scalar fields inhibit the formation of dark matter halos. By analysing the results of a modified N-body code, we show that those fields produce less structures and lighter halos, and lead to significative differences that allow to distinguish either a quintessence scenario from a more conventional one with a cosmological constant either different quintessence models.

On étudie la cosmologie induite par un gaz parfait de supercordes à température finie. Les effets thermaux et quantiques du gaz de cordes génèrent un potentiel effectif au niveau d'une boucle. A certains points dans l'espace de modules où les masses des états génériquement massifs s'annulent, le potentiel effectif atteint des minima locaux. Les modules qui y sont attirés prennent des masses qui diminuent avec le temps, ce qui permet aux oscillations cohérentes des modules d'être diluées avant la nucléosynthèse. Ainsi le modèle ne rencontre pas le problème des modules cosmologiques. En particulier, on étudie la stabilisation des modules pour la cosmologie induite par i) un gaz de cordes hétérotiques maximalement supersymétriques, ii) un gaz de cordes de type II compactifiées sur un espace de Calabi-Yau de dimension complexe 3. Dans le 1er cas, les minima locaux du potentiel effectif apparaissent aux points de symétries de jauge étendues. Ceux-ci stabilisent tous les modules sauf le dilaton. Dans le 2ème cas, les minima locaux du potentiel effectif sont atteints où des 2- ou 3-sphères dans l'espace de Calabi-Yau s'évanouissent, produisant une transition conifold ou une extension du groupe non Abelien de jauge. Les états non massifs supplémentaires sont engendrés par des D-branes s'enroulant sur les sphères qui s'évanouissent et les modules stabilisés sont ceux qui contrôlent les volumes de ces sphères. Pour les deux cas, on étudie aussi respectivement les théories duales de type I maximalement supersymétrique et hétérotique compactifiée sur K3xT2. On trouve que les modules duaux sont stabilisés par des effets non perturbatifs impliqués par les dualités concernées.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L'un des problèmes les plus intéressants de la physique moderne est celui de la matière noire de l'Univers, qui reste de nature insaisissable. L'existence de la matière noire est inférée par des preuves indirectes telles que les mesures des courbes de rotation des galaxies, des dispersions de vitesse des galaxies dans les amas galactiques et les effets de lentille gravitationnelle. Ces observations fournissent des preuves sur l'existence d'une matière invisible dominant notre Univers. Il n'existe cependant aucune indication claire sur sa nature. Les observations actuelles en font le constituant dominant de l'Univers, par opposition à la matière baryonique "normale". Deux solutions sont proposées pour résoudre ce mystère. La première est basée sur une modification de la loi de la gravité comme dans la dynamique newtonienne modifiée qui pourrait expliquer les divergences entre prédictions et observations de la dynamique des masses dans l'Univers. L'autre idée consiste à proposer l'existence d'une nouvelle particule massive qui n'interagit pas avec la lumière (appelée WIMP pour "Weakly Interactive Massive Particle"), mais pouvant influencer la matière lumineuse par gravité. Plusieurs théories proposent l'existence de telles nouvelles particules. La plus célèbre de ces théories est la supersymétrie, qui est une extension du Modèle Standard de la Physique des Particules. Si l'un des partenaires supersymétriques des bosons neutres est une particule stable et le plus léger de tous les superpartenaires, il devient alors un candidat idéal pour la matière noire. La supersymétrie est en général le cadre le plus favorable pour l'existence de la matière noire. / The early history of modern physics have been full of problems fixed with un-orthodox yet brilliant solutions. From the Hydrogen electron orbit, black bodyradiation and the ultraviolet catastrophe, to the perihelion precession of Mercury.Quantum Mechanics and General Relativity not only solved these problems butthey opened the path to new observations and predictions about the Universe welive in and the introduction of new problems to be solved.One of the more modern problems we are facing today in physics is the largediscrepancy among measurements of the visible mass in the Universe and the pre-dictions of laws of gravity. An indisputable mass of evidence from different partsof observational cosmology is showing again and again that the observed lumi-nous mass in the Universe constitutes a tiny fraction of the matter that actuallyexists. The proposed solutions of this problem comes in two completely differentflavors. One proposed solution is that the laws of gravity are not the same in thelimit of tiny accelerations. Theories of modified gravitational dynamics proposea non-linear term in Newton law of gravity that becomes relevant at small accel-erations which in turn can explains the missing matter. The other solution to themissing matter is the introduction of new type of matter that does not interact withlight, making it invisible yet inferred to exist by its gravitational effect. The newmatter becomes a new elementary particle to be added to list of already knownelementary particles. While there are many candidates to this new elementaryparticle the favored one is called a WIMP or Weakly Interacting Massive Particle.

Le paradigme ΛCDM est le modèle standard de la cosmologie. Dans ce modèle, l'univers est constitué aujourd'hui en majeure partie par de la matière noire froide (CDM) et la constante cosmologique Λ qui produit l'accélération cosmique. Cependant, ce modèle standard n'est pas entièrement complet. L'utilisation de la constante cosmologique introduit des problèmes théoriques dans une description de la théorie des champs quantiques et des indications observationnelles suggèrent que notre description à grande échelle de l'univers devrait être affinée. Ainsi, trouver des alternatives au modèle standard est d'une importance cruciale aujourd'hui. / The ΛCDM paradigm is the standard model of cosmology. In this model, the universe is constituted today for the major part by Cold Dark Matter along with the Cosmological Constant Λ that drives cosmic acceleration. However, this standard model is not fully complete. Using the Cosmological Constant introduces theoretical issues in a quantum field theory description and tentative observational evidences suggests our large scale description of the universe should be refined. Finding alternatives to the standard model is therefore of crucial importance today.

Dans cette thèse, notre étude porte sur les défauts topologiques en cosmologie et en physique de la matière condensée. Nous proposons d’étudier l’analogie entre les défauts qui apparaissent dans ces domaines. Par exemple, nous discutons l’analogie entre les cordes cosmiques et les disinclinaisons présentes dans les cristaux liquides. Cependant, nous concentrons nos efforts sur l’étude de la gravité et des aspects géométriques des défauts linéaires; cordes cosmiques «ondulées» et les disinclinaisons hyperboliques. Le champ gravitationnel des cordes ondulées est analogue à celui des cordes régulières mais avec un potentiel newtonien non nul. Pour cette raison, outre le fait que l’espace-temps a une géométrie conique, les cordes produisent également une traction gravitationnelle sur les objets situés dans leur voisinage. Ceci a pour conséquence: l’apparition de nouveaux effets en plus de la lentille gravitationnelle. En réalité, nous constatons que les champs massiques et non-massiques sont confinés au voisinage de la corde quand nous examinons la propagation non perpendiculaire à son axe. Cette affirmation est basée sur l’analyse des trajectoires et l’application du formalisme ondulatoire. Enfin, nous proposons la conception d’un guide d’onde optique ayant l’indice de réfraction spécifique permettant de simuler l’effet des cordes ondulées en laboratoire. Bien que la disinclinaison hyperbolique soit très similaire à la disinclinaison ordinaire, le milieu résultant est un métamatériau anisotrope dans lequel le rapport entre les permittivités ordinaire et extraordinaire est négatif. En fait, notre analyse concernant la disinclinaison hyperbolique étant très proche de la précédente pour la corde ondulée, nous appliquons alors le formalisme ondulatoire avec des traitements d’optique géométrique pour comprendre la propagation de la lumière. Nous trouvons que pour un agencement spécifique du champ directeur du cristal liquide hyperbolique, la lumière est confinée et dirigée vers l’axe du métamatériau. Plus précisément, on obtient un dispositif optique qui concentre les rayons de lumière, quelles que soient les conditions d’injection / In this thesis, we study topological defects in cosmology and condensed matter physics. We propose to investigate the analogy between defects that appear in these two realms with respect to aspects of formation and gravity. For instance, we discuss the analogy between cosmic strings and disclinations existing in liquid crystals. In particular, we concentrate our efforts on the study of gravity/geometric aspects of two linear defects: wiggly cosmic string and hyperbolic disclination. The gravitational field of wiggly strings is analogous to the one of regular strings, but with a non-vanishing Newtonian potential. For that reason, besides the spacetime has conical geometry, the string also produces gravitational pullings on objects located in its vicinity. This new fact leads to new effects in addition to the already expected gravitational lensing. In fact, we find that both massive and massless fields are confined to the string when we examine non-perpendicular propagation to the string axis. This statement is based on the analysis of trajectories and by applying the wave formalism. Finally, we propose the design of an optical waveguide having the specific refractive index likely to simulate the effects of wiggly strings in the laboratory. Even though the hyperbolic disclination is very similar to the ordinary one, the resulting medium is an anisotropic metamaterial, in which the ratio between ordinary and extraordinary permittivities is negative. In fact, as our analysis concerning the hyperbolic medium is very close to the previous one for the wiggly string, we also apply the wave formalism together with geometrical optics treatment to understand how light propagates. Interestingly, we find that for one specific director field arrangement of the hyperbolic liquid crystal metamaterial, light is confined and directed to the metamaterial axis. More specifically, we come into possession of an optical device that concentrates light rays, no matter how they are injected in it