Cette étude porte sur les plus grandes structures auto-cohérentes connues dans l'univers, les amas de galaxies. Du fait de ses conditions thermodynamiques, leur halo de gaz est complètement ionisé. Ce plasma est observable aux longueurs d'onde X par son émission de freinage, ainsi qu'en submillimétrique et en millimétrique via l'effet Sunyaev-\-Zel'dovich (SZ). Cet effet résulte de la diffusion des photons du champ de rayonnement cosmologique par les électrons du milieu intergalactique. Dans un premier temps, nous avons calculé numériquement le spectre exact de l'effet SZ en prenant en compte le comportement relativiste des électrons du gaz. Ainsi, nous avons mis en évidence la forte dépendance de leur forme en fonction de la température du milieu. A l'aide de cet outil, nous avons analysé les données millimétriques du spectrophotomètre DiaBolo en direction de l'amas RXJ1347-1145. Ces observations à haute résolution spatiale ont permis la détection du plus fort signal SZ mesuré jusqu'à présent, ainsi qu'une émission étendue dont la structuration semble différer de celle observée aux longueurs d'onde X. Nous avons ensuite élargi le domaine spectral d'observation aux longueurs d'onde infrarouges et submillimétriques. Ainsi, nous avons obtenu le spectre de l'amas d'Abell 2163 entre 90~$\mu$m et 2.1~mm. Les contraintes imposées par les mesures infrarouges sur l'émission de poussière ont permis d'optimiser la détermination des paramètres SZ. En extrapolant cette étude au cas des missions spatiales, Planck Surveyor et Herschel, nous avons montré que les données SZ sont une source d'information auto-suffisante. Nous avons ainsi quantifié la précision avec laquelle la température du gaz intra-amas pourrait être déduite des observations SZ faites avec ces instruments.

Cette thèse présente un travail sur le fond diffus extragalactique dans les domaines de longueurs d'onde infrarouge et millimétrique. (1) L'étude de la couleur (ou rapport de brillance) des cirrus aux longueurs d'onde 60 et 100 microns a montré une augmentation de celle-ci de B(60)/B(100)=0.21 à 0.28 pour des brillances inférieures à B(100)=3 MJy/sr. Ceci se traduit par une augmentation des très petits grains de poussières dans les régions diffuses de haute latitude provoquée par l'érosion et la fragmentation des grains par les ondes de choc des supernovae. (2) La séparation entre les cirrus et les fluctuations du fond diffus infrarouge extragalactique à l'aide des couleurs B(60)/B(100), B(60)/B(170), B(100)/B(170) s'est révélée non efficace, car les spectres des deux composantes sont trop proches à ces longueurs d'onde. Il faudra renouveler l'étude aux plus grandes longueurs d'onde de Planck et Herschel. (3) Le spectre de puissance des fluctuations du fond diffus infrarouge extragalactique ne montre aucune corrélation particulière. On en déduit un biais des galaxies infrarouges inférieur à 0.6. Ceci implique que les galaxies formant les fluctuations du fond sont à bas redshift. On espère détecter des corrélations en sondant les cartes plus grandes de SPITZER. (4) la séparation statistique du fond diffus cosmologique (FDC) et de l'effet Sunyaev-Zel'dovich (SZ) cinétique pourrait se faire à l'aide d'une loi à priori entre l'effet SZ cinétique et le produit de covariance entre la carte de mélange (FDC+SZ cinétique) et l'effet SZ thermique.

De la Poussière Interstellaire, de l'Emission Infrarouge des Galaxies, et des Mesures du rayonnement cosmologique à 3K

Dans cette thèse, nous explorons la phénoménologie de certaines extensions de la relativité générale et de la gravité quantique.Cette recherche est motivée par l’incomplétude des modèles théoriques qui décrivent le comportement de la matière aux échelles cosmologiques.Le model standard de la physique des particules et la relativité générale, combinés ensemble et avec les données expérimentales provenant des collisionneurs de particules et de l’astrophysique, conduisent a des modèles d’univers domines par de la matière invisible. De plus, selon le meilleur de ces modèles, l’univers serait présentement dans une phase d’expansion accélérée et aurait commencer son existence par une singularité spatio-temporelle : le big bang.Ainsi, la physique théorique se trouve mise au défi d’obtenir un model sans singularités et avec moins (ou aucune) matière sombre. Sur ce point, les deux dernières décennies ont étés particulièrement fructueuse : il y a maintenant un grand nombre de théories de gravité modifiée, d’énergie sombre et de gravité quantique qui sont à notre disposition.L’objectif du présent travail est de construire un cadre phénoménologique nous permettant de comparer clairement ces théories les unes aux autres et possiblement d’en réfuter certaines en se basant sur les récentes observations cosmologiques ainsi que celles qui sont encore a venir.La première partie de la thèse est dédiée aux théories de gravité modifiée et d’énergie sombre. La deuxième partie traite de la cosmologie quantique a boucles, et finalement la dernière partie présente une nouvelle façon de sonder l’expansion accélérée de l’univers via l’effet Sunyeav Zeldovich thermique. / In this thesis we explore the phenomenology of some extensions to General Relativity and quantum gravity theories.The motivation for this research lies in the incompleteness of the current theoretical models that describe the behaviour of matter on cosmological scales.The standard model of particle physics and general relativity, combined together along with experimental probes in particle colliders and astrophysics, lead to a model for our universe, which is today dominated by dark matter. Moreover, according to the best model, the universe is currently undergoing an accelerated expansion and had started its existence with a space-time singularity: the big bang.The challenge for theoretical physics is therefore to obtain a model without singularity and with less invisible matter (or none). To this respect, the last two decades have been particularly fruitful: there is a large number of competing modified gravity and dark energy theories as well as quantum gravity proposals at our disposal.The purpose of the work presented here is to set up a phenomenological framework that enables a clear comparison and possible exclusions of these new theories by confronting them to current and future observational data.The first part of the thesis is dedicated to modified gravity and dark energy models. The second part deals with loop quantum cosmology, and the last part is a presentation of a new probe for dark energy: the thermal Sunyaev Zeldovich power spectrum.

La distribution de masse dans l'Univers telle que tracée par les amas de galaxies constitue une sonde cosmologique puissante. La caractérisation des processus associés à l'origine et à la croissance des grandes structures permet de contraindre des paramètres cosmologiques via l'étude de la distribution des amas en fonction de leur masse et de leur redshift. Cependant, il existe un désaccord statistiquement significatif observé entre les contraintes cosmologiques établies par l'étude des anisotropies primaires du fond diffus cosmologique et celles issues de l'analyse de la distribution des amas de galaxies. Cela pourrait signifier que le modèle standard de la cosmologie est incomplet. L'une des méthodes d'observation des amas de galaxie exploite l'effet Sunyaev-Zel'dovich (SZ) qui permet de contraindre la pression du gaz contenu dans ces derniers. Cette observable peut être directement liée à la masse des amas via une relation d'échelle et un profil de pression. Il est donc essentiel de caractériser précisément ces derniers afin de limiter les potentiels biais et effets systématiques affectant les analyses cosmologiques. Cette thèse présente l'ensemble des travaux réalisés dans cet objectif. Elle porte sur des thématiques allant des observations SZ effectuées avec la caméra NIKA2 installée au télescope de 30 mètres de l’IRAM jusqu'à l'estimation des paramètres cosmologiques en passant par l'analyse des données brutes de NIKA2 et des cartes SZ réalisées.Une part du travail de thèse présenté dans ce document est consacrée à l'étude et l’amélioration des différentes étapes effectuées, depuis les observations d'amas de galaxies au télescope avec la caméra NIKA2 jusqu'à la production de cartes de l'effet SZ. Les procédures développées pour estimer les performances instrumentales de NIKA2 sont détaillées et la chaîne d'analyse utilisée pour réduire les données brutes est présentée.Les travaux réalisés dans cette thèse ont également consisté à caractériser les propriétés thermodynamiques d'amas de galaxies via des analyses jointes combinant les cartes SZ NIKA2 avec des données X mesurées par le satellite XMM-Newton. Nous détaillons les méthodes employées dans le logiciel de traitement des données SZ créé pour le grand programme SZ de NIKA2, la procédure de déprojection non-paramétrique développée pour caractériser le profil de pression des amas de galaxies et les résultats de la première observation SZ avec NIKA2.Les dernières activités présentées sont dédiées aux analyses réalisées afin de quantifier l'impact du grand programme SZ de NIKA2 sur la cosmologie. Nous analysons l'effet des perturbations dynamiques du milieu intra-amas sur la caractérisation du profil de pression avec NIKA2 via l'utilisation d'amas de la simulation numérique MUSIC. Finalement, nous détaillons l'étude permettant d'estimer l'impact d'une variation du profil de pression universel sur l'estimation des paramètres cosmologiques déduite du spectre de puissance de l'effet SZ mesuré par Planck. / The mass distribution in the Universe, as traced by galaxy clusters is a powerful cosmological probe. The characterization of the processes associated with the origin and the growth of the large scale structures enables constraining cosmological parameters by studying the distribution of clusters according to their mass and redshift. However, a tension is observed between the cosmological constraints established by the study of the primary anisotropies of the cosmological background and those resulting from the analysis of the distribution of galaxy clusters. This may imply that our cosmological model is incomplete. The observation of clusters from the Sunyaev-Zel'dovich (SZ) effect allows us to constrain their gas pressure. This observable can be directly linked to the mass of galaxy clusters via a scaling relation and a pressure profile. It is thus essential to characterize the latter precisely in order to limit the potential bias and systematic effects affecting cosmological analyses. This thesis presents the work carried out to this end. It covers topics ranging from SZ observations made with the NIKA2 camera installed at the IRAM 30-metre telescope to the estimation of cosmological parameters, and including the analysis of NIKA2 raw data and the SZ maps produced.Part of the thesis work presented in this document is dedicated to the study and the improvement of the different tasks carried out, from the observations of galaxy clusters with the NIKA2 camera to the production of maps of the SZ effect. The procedures developed to estimate the NIKA2 instrumental performance are detailed and the analysis pipeline used to analyze the raw data is presented.The work carried out in this thesis also consisted in characterizing the thermodynamic properties of galaxy clusters using joint analyzes that combine the NIKA2 SZ maps with X-ray data measured by the XMM-Newton satellite. We detail the methods used in the SZ data processing software created for the NIKA2 SZ large program, the non-parametric deprojection procedure developed to characterize the pressure profile of galaxy clusters and the results of the first SZ observation with NIKA2.The last activities presented are dedicated to the analyses carried out to quantify the impact of the NIKA2 SZ large program on cosmology. We analyze the effect of dynamic disturbances of the intracluster medium on the characterization of the pressure profile with NIKA2 via the use of clusters from the MUSIC N-body simulation. Finally, we detail the study realized in order to estimate the impact of a modification of the universal pressure profile on the estimation of cosmological parameters derived from the power spectrum of the SZ effect measured by Planck.

Les amas de galaxies sont les objets les plus massifs de l'Univers. Leur population étant directement liée au taux de croissance des perturbations de matière, l'évolution de leur abondance dans le temps permet de poser des contraintes sur l'évolution de l'Univers. La découverte d'un rayonnement X dans ces objets a permis de mettre en évidence les propriétés du gaz intra-amas ainsi que les différents processus responsable de l'émission X. Grâce à la capacité de spectro-imagerie haute résolution des instruments de dernière génération comme XMM-Newton ou Chandra, les observations ont permis de mieux comprendre l'évolution des amas de galaxies et d'utiliser leur abondance comme un test cosmologique. L'étude statistique optimale de cette population nécessite une bonne détermination de la masse des amas. Cette quantité n'étant cependant pas mesurable directement, des méthodes indirectes ont été développées notamment en utilisant des relations d'échelle ce qui permet de relier la masse aux propriétés du gaz intra-amas. Cependant la physique de ce gaz peut engendrer des biais dans la détermination de la masse qui se répercutent sur la détermination des paramètres cosmologiques. Cette thèse présente une étude du gaz intra-amas à travers la relation d'échelle masse-température à partir des contraintes obtenues grâce à différentes sondes cosmologiques ainsi que la distribution en température des amas X. Avec la publication des futurs résultats des expériences Planck, South Pole Telescope ou bien Atacama Cosmology Telescope, une prédiction de la population des amas observés par effet Sunyaev-Zel'dovich est détaillée en prenant en compte les propriétés X du gaz intra-amas de façon auto-consistante. Enfin, une étude qualitative du spectre de puissance des anisotropies secondaires du CMB induites par l'effet SZ est proposée afin de montrer les différences observées dans le spectre en prenant en comptes les propriétés du gaz des amas.

L'effet Sunyaev-Zel'dovich (SZ) est la distorsion du spectre du fond diffus cosmologique (CMB) due à la diffusion des photons du CMB sur les électrons du gaz intra-amas par effet Compton inverse. Bien qu'ayant été découvert à la fin de années 1960, cet effet commence tout juste à être utilisé : l'exploitation de nombreux instruments débute aujourd'hui ou en est sur le point conduisant ainsi à la réalisation de sondages d'amas plus importants que tout ce qui existe à l'heure actuelle. Cependant, l'utilisation des amas observés grâce à l'effet SZ en tant que sondes cosmologiques nécessite la combinaison de ces données avec les observations X. Afin d'estimer les capacités de différents instruments X et SZ et les caractéristiques des catalogues résultants de la combinaison de leurs données, j'ai constitué un modèle pour ces deux signaux, contraint par un grand nombre d'observations X. Il permet alors de simuler des programmes d'observation réalistes. A titre d'exemple d'applications réalisables avec ce modèle, j'ai d'une part comparé les propriétés des catalogues constitués avec les satellites Planck et ROSAT et, d'autre part, estimé les capacités du satellite XMM-Newton à faire un suivi des amas les plus chauds et distants parmi ceux découverts par Planck, i.e. les plus pertinents d'un <br />point de vue cosmologique.

Cette thèse, écrite en anglais, étudie la non-Gaussianité (NG) des avant-plans extragalactiques au fond de rayonnement fossile (FDC), celui-ci étant une des observables de choix de la cosmologie actuelle. Ces dernières années a émergé la recherche de déviations du FDC à la loi Gaussienne, car elles permettraient de discriminer les modèles de génération des perturbations primordiales. Cependant les mesures du FDC, e.g. par le satellite Planck, sont contaminées par différents avant-plans. J'ai étudié en particulier les avant-plans extragalactiques traçant la structure à grande échelle de l'univers: les sources ponctuelles radio et infrarouges et l'effet Sunyaev-Zel'dovich thermique (tSZ). Je décris donc les outils statistiques caractérisant un champ aléatoire : les fonctions de corrélations, et leur analogue harmonique : les polyspectres. En particulier le bispectre est l'indicateur de plus bas ordre de NG avec le plus fort rapport signal sur bruit (SNR) potentiel. Je décris comment il peut être estimé sur des données en tenant compte d'un masque (e.g. galactique), et propose une méthode de visualisation du bispectre plus adaptée que les préexistantes. Je décris ensuite la covariance d'une mesure de polyspectre, une méthode pour générer des simulations non-Gaussiennes, et comment la statistique d'un champ 3D se projette sur la sphère lors de l'intégration sur la ligne de visée. Je décris ensuite la genèse des perturbations de densité par l'inflation standard et leur possible NG, comment elles génèrent les anisotropies du FDC et croissent pour former la structure à grande échelle de l'univers actuel. Pour décrire cette dite structure, j'expose le modèle de halo et propose une méthode diagrammatique pour calculer les polyspectres du champ de densité des galaxies et avoir une représentation simple et puissante des termes impliqués. Puis je décris les avant-plans au FDC, tant galactiques que extragalactiques. J'expose la physique de l'effet tSZ et comment décrire sa distribution spatiale avec le modèle de halo. Puis je décris les sources extragalactiques et présente une prescription pour la NG de sources corrélées. Pour le fond diffus infrarouge (FDI) j'introduis une modélisation physique par le modèle de halo et la méthode diagrammatique. Je calcule numériquement le bispectre 3D des galaxies et obtiens la première prédiction du bispectre angulaire FDI. Je montre les différentes contributions et l'évolution temporelle du bispectre des galaxies. Pour le bispectre du FDI, je montre ses différents termes, sa dépendence en échelle et en configuration, et comment il varie avec les paramètres du modèle. Par analyse de Fisher, je montre qu'il apporte de fortes contraintes sur ces paramètres, complémentaires ou supérieures à celles venant du spectre. Enfin, je décris mon travail de mesure de la NG. J'introduis d'abord un estimateur pour l'amplitude du bispectre FDI, et montre comment le combiner avec de similaires pour les sources radio et le FDC, pour une contrainte jointe des différentes sources de NG. Je quantifie la contamination des sources ponctuelles à l'estimation de NG primordiale ; pour Planck elle est négligeable aux fréquences centrales du FDC. Je décris ensuite ma mesure du bispectre FDI sur les données Planck ; il est détecté très significativement à 217, 353 et 545 GHz, avec des SNR allant de 5.8 à 28.7. Sa forme est cohérente entre les différentes fréquences, de même que l'amplitude intrinsèque de NG. Enfin, je décris ma mesure du bispectre tSZ, sur des simulations et sur les cartes tSZ estimées par Planck, validant la robustesse de l'estimation via des simulations d'avant-plans. Le bispectre tSZ est détecté avec un SNR~200. Son amplitude et sa dépendence en échelle et en configuration sont cohérentes avec la carte des amas détectés et avec les simulations. Enfin, cette mesure place une contrainte sur les paramètres cosmologiques : sigma_8 (Omega_b/0.049)^0.35 = 0.74+/-0.04 en accord avec les autres statistiques tSZ. / This PhD thesis, written in english, studies the non-Gaussianity (NG) of extragalactic foregrounds to the Cosmic Microwave Background (CMB), the latter being one of the golden observables of today's cosmology. In the last decade has emerged research for deviations of the CMB to the Gaussian law, as they would discriminate the models for the generation of primordial perturbations. However the CMB measurements, e.g. by the Planck satellite, are contaminated by several foregrounds. I studied in particular the extragalactic foregrounds which trace the large scale structure of the universe : radio and infrared point-sources and the thermal Sunyaev-Zel'dovich effect (tSZ). I hence describe the statistical tools to characterise a random field : the correlation functions, and their harmonic counterpart : the polyspectra. In particular the bispectrum is the lowest order indicator of NG, with the highest potential signal to noise ratio (SNR). I describe how it can be estimated on data, accounting for a potential mask (e.g. galactic), and propose a method to visualise the bispectrum, which is more adapted than the already existing ones. I then describe the covariance of a polyspectrum measurement, a method to generate non-Gaussian simulations, and how the statistic of a 3D field projects onto the sphere when integrating along the line-of-sight. I then describe the generation of density perturbations by the standard inflation model and their possible NG, how they yield the CMB anisotropies and grow to form the large scale structure of today's universe. To describe this large scale structure, I present the halo model and propose a diagrammatic method to compute the polyspectra of the galaxy density field and to have a simple and powerful representation of the involved terms. I then describe the foregrounds to the CMB, galactic as well as extragalactic. I briefly describe the physics of the thermal Sunyaev-Zel'dovich effect and how to describe its spatial distribution with the halo model. I then describe the extragalactic point-sources and present a prescription for the NG of clustered sources. For the Cosmic Infrared Background (CIB) I introduce a physical modeling with the halo model and the diagrammatic method. I compute numerically the 3D galaxy bispectrum and produce the first theoretical prediction of the CIB angular bispectrum. I show the contributions of the different terms and the temporal evolution of the galaxy bispectrum. For the CIB angular bispectrum, I show its different terms, its scale and configuration dependence, and how it varies with model parameters. By Fisher analysis, I show it allows very good constraints on these parameters, complementary to or better than those coming from the power spectrum. Finally, I describe my work on measuring NG. I first introduce an estimator for the amplitude of the CIB bispectrum, and show how to combine it with similar ones for radio sources and the CMB, for a joint constraint of the different sources of NG. I quantify the contamination of extragalactic point-sources to the estimation of primordial NG ; for Planck it is negligible for the central CMB frequencies. I then describe my measurement of the CIB bispectrum on Planck data ; it is very significantly detected at 217, 353 and 545 GHz with SNR ranging from 5.8 to 28.7. Its shape is consistent between frequencies, as well as the intrinsic amplitude of NG. Ultimately, I describe my measurement of the tSZ bispectrum, on simulations and on Compton parameter maps estimated by Planck, validating the robustness of the estimation thanks to realist foreground simulations. The tSZ bispectrum is very significantly detected with SNR~200. Its amplitude and its scale and configuration dependence are consistent with the projected map of detected clusters and tSZ simulations. Finally, this measurement allows to put a constraint on the cosmological parameters : sigma_8*(Omega_b/0.049)^0.35 = 0.74+/-0.04 in agreement with other tSZ statistics.