La proximité (= 300 pc du Soleil) et son intense activité de formation d'étoiles, font du complexe de Persée une région unique pour l'étude détaillée des interactions entre les nuages gazeux et les étoiles jeunes. Nous avons étudié au moyen de comptages d'étoiles et ,d'observation de molécules (CO,13 CO ,C18 0, HCO+, H13CO+, NH 3 , HC 3 N) la quasi-totalité du complexe. Dans le nuage moléculaire, nous distinguons 10 condensations (AV ~ 2- 3 mag), de quelques centaines de masses solaires chacune, où se trouvent des coeurs denses (nH2 = 1- 4 10 4 cm- 3 ). Le pourcentage de la masse dans ces coeurs est 2- 5 % de la masse totale. L'émission de 13 CO (J=1-0) est très bien correlée à l'extinction visuelle (dans l'intervalle 1 <= AV <=5 mag ). Cet isotope apparaît comme le traceur privilégié des nuages étendus. Nous mettons en évidence un fort accroissement de la température du gaz au bord nord - est du nuage. Ce chauffage est vraisemblablement dû au champ ultraviolet intense des étoiles 0 et B du voisinage. Le changement systématique de vitesse observé dans le nuage de Persée est expliqué par un mouvement d'expansion. Cet hypothèse s'accorde bien à la distribution à plus grande échelle observée en HI. L'explosion d'une supernova, il y a quelques millions d'années, pourraît être à l'origine de l'expansion.

L'étude de la formation et de l'évolution des galaxies est une thématique en pleine effeversence. Deux grands relevés (2dFGRS, SDSS), portant sur plusieurs millions de galaxies proches, ont permis récemment des avancées importantes dans la compréhension des propriétés physiques des galaxies. D'autre part l'arrivée des télescopes de 8-10m de diamètre, équipés de spectroscopes multi-objets (VLT/VIMOS, Keick/DEIMOS, Gemini/GMOS, ...), a permis la mise en place de plusieurs nouveaux grands relevés portant cette fois sur les galaxies lointaines (VVDS, DEEP2, GDDS, zCOSMOS, ...), donc situées dans un univers plus jeune.<br /><br />Ce travail de thèse porte préférentiellement sur l'étude des relations masse-métallicité ou luminosité-métallicité qui permettent d'établir un lien entre les deux processus majeurs responsables de l'évolution des galaxies: l'assemblage de la masse stellaire (formation d'étoiles ou fusion de galaxies) et l'enrichissement chimique du milieu interstellaire par les générations d'étoiles successives. Nous montrons que la forme de cette relation est un très bon test des modèles de formation et d'évolution des galaxies. Nous étudions ensuite la relation luminosité-métallicité de référence obtenue à partir du relevé 2dFGRS dans l'Univers local. Puis nous étudions l'évolution en fonction de l'âge de l'univers de la relation luminosité-métallicité à l'aide d'un petit échantillon (LCL05), puis de la relation masse-métallicité à l'aide du grand relevé VVDS. Plusieurs résultats obtenus avec ces différents échantillons sont des indices en faveur du modèle hiérarchique: les galaxies les plus massives se formeraient par fusion progressive de galaxies plus petites.<br /><br />Les propriétés physiques d'un grand nombre de galaxies sont estimées à l'aide d'outils d'analyse automatiques spécifiquement développés, ou adaptés à nos besoins, durant cette thèse. Comme résultats annexes, de nouvelles calibrations de la classification spectrale ou du taux de formation d'étoiles des galaxies sont obtenues à partir des grands relevés de l'univers local (respectivement 2dFGRS et SDSS). Ce travail offre de nombreuses perspectives de par le nombre et la diversité des données disponibles.

Le parsec central de la Galaxie a été observé à l'aide de spectro-imagerie BEAR haute résolution spectrale (jusqu'à 21 km/s) et moyenne résolution spatiale (0,5"), dans les raies Bracket gamma (2,16 micron) et He I à 2,06 microns, et d'imagerie haute résolution. Ces données ont servi à étudier la population d'étoiles jeunes et massives, la structure et la dynamique des flots de gaz ionisé de Sgr A Ouest. Les résultats obtenus, notamment la séparation des étoiles en un groupe de 6 LBV d'une part (le complexe IRS 16) et plus de 20 Wolf-Rayet d'autre part, ainsi que la résolution de IRS 13E en un amas d'au moins 6 étoiles massives, soutiennent l'idée d'une formation des étoiles jeunes en un amas massif à distance du Centre Galactique. La vision très détaillée de Sgr A Ouest et le modèle cinématique proposé du Bras Nord soutiennent l'idée que ce gaz ionisé est constitué par les fronts d'ionisation de plus vastes nuages neutres étirés par les forces de marée, provenant du Disque circumnucléaire.

Les étoiles se forment par effondrement gravitationnel de condensations préstellaires au sein de nuages moléculaires. L'objectif principal de cette thèse est de tester, à partir d'observations de transitions moléculaires millimétriques, différents modèles d'effondrement. L'enjeu est de comprendre comment la masse d'une étoile est fixée et dans quelle mesure l'environnement et les conditions initiales influencent l'évolution dynamique d'une condensation. Pour cela, nous avons étudié la structure en vitesse de condensations à partir de signatures spectroscopiques de rotation et de contraction. Nous montrons que l'enveloppe de la proto-étoile de classe 0 IRAM 04191 située dans le nuage du Taureau est animée de mouvements de contraction subsoniques dans sa majeure partie et qu'elle est en rotation différentielle. Nous proposons que la partie interne de l'enveloppe correspond à un coeur supercritique se découplant de la partie externe toujours soutenue par le champ magnétique. Nous suggérons que les propriétés cinématiques d'IRAM 04191 sont représentatives des conditions physiques caractérisant les proto-étoiles isolées juste après la formation de l'embryon stellaire central. D'autre part, l'étude des condensations préstellaires du proto-amas de Rho Ophiuchi montre que les taux d'accrétion associés sont un ordre de grandeur plus forts que pour IRAM 04191, ce qui suggère un effondrement induit par une perturbation extérieure. Nous montrons aussi que les condensations n'auront pas le temps d'orbiter significativement à travers le proto-amas avant de donner naissance à des étoiles de pré-séquence principale. Cela ne favorise pas les scénarii de formation stellaire qui font appel à des interactions dynamiques pour expliquer la fonction de masse initiale des étoiles. En conclusion, nous suggérons que l'effondrement est spontané dans les régions de formation d'étoile isolée comme le nuage du Taureau alors qu'il est probablement induit dans les proto-amas.

La connaissance de la structure de l'ammoniac permet d'utiliser les raies d'inversion de la molécule comme moyen d'investigation du mi.lieu interstellaire. En particulier les principaux paramètres d'un nuage moléculaire chaud se déduisent de l'observation des raies d'inversion des niveaux métastables (1,1) et (2,2) à 23.69 GHz et 23.72 GHz. Dans la source galactique W 48, par exemple, une cartographie avec l'antenne de 100 m du radio-télescope d'Effelsberg (R.F.A.) a permis de découvrir deux nuages moléculaires et d'en donner les principales caractéristiques : température, densité, dimensions, masse. L'un d'eux est le siège de la formation d'un groupe d'étoiles de type O.B. Les anomalies dans les spectres de la raie NH3 (1,1) qui apparaissent dans ces mesures à haute résolution permettent une analyse plus détaillée des conditions physiques régnant dans la source.

La variété de galaxies dans le Groupe Local rend possible l'étude du milieu interstellaire et de la formation d'étoiles dans des conditions différentes de celles trouvées dans la Voie Lactée, tout en conservant une grande résolution spatiale grâce à leur proximité. J'ai étudié le milieu interstellaire de deux galaxies du Groupe Local, M33 et NGC6822, dont les métallicités sont inférieures d'un facteur 2 à 3 à celle du soleil et qui sont respectivement dix fois et cent fois moins lumineuses que la Voie Lactée. Nos observations de la transition J = 2 → 1 du mo- noxyde de carbone, avec une résolution suffisante pour résoudre les nuages moléculaires géants, fournissent la première carte du milieu moléculaire de NGC6822 et la cartographie de M33 avec la meilleure combinaison de résolution et de sensibilité. Je présente également une cartographie haute résolution du milieu atomique de M33 à partir d'une mosaïque intérférométrique dans la raie à 21 cm de l'ensemble du disque de la galaxie. Combinées avec des données allant de l'ultra- violet à l'infrarouge lointain, ces observations permettent l'étude du milieu interstellaire et de la formation d'étoiles à des échelles allant du nuage individuel à la galaxie dans son ensemble. Ces deux objets, chimiquement jeunes, semblent convertir l'hydrogène moléculaire en étoiles plus rapidement que les grandes galaxies spirales comme la Voie Lactée. Est-ce à rapprocher du taux élevé de formation d'étoiles dans les galaxies de l'univers plus jeune (z ≃ 0.5 − 1), également riches en gaz et bleues comme M33 et NGC6822 ? Un soin particulier a été apporté pour tenter de mesurer la masse de dihydrogène, difficile dans ce type d'objet, à l'échelle de la galaxie ainsi qu'à l'échelle du nuage. Une méthode d'identification automatique et de mesure des propriétés physiques des nuages moléculaires géants a permis d'obtenir, dans le cas de M33, le plus grand catalogue de nuage moléculaires dans une galaxie extérieure. Dans M33, la fraction de petits nuages augmente significativement avec le rayon galactocentrique. Au moins un sixième des nuages moléculaires géants ne sont pas associés à de la formation stellaire (détectée) et ces nuages ont des brillance en CO plus faible, ce qui montre l'importance du chauffage du gaz par les étoiles jeunes.

Voilà plus d'un siècle que Victor Hess a montré l'origine cosmique de ce mystérieux rayonnement ionisant, et pourtant ce dernier n'a pas fini de livrer tous ces secrets. En deçà d'une énergie de l'ordre du PeV, les vestiges de supernovae sont les candidats les plus sérieux pour rendre compte de l'accélération de ces particules cosmiques. Si toutefois cette hypothèse demeure toujours d'actualité, alors qu'auparavant on le considérait comme un événement isolé dans la Galaxie, on constate plutôt aujourd'hui que ces explosions d'étoiles massives surviennent majoritairement au sein de grandes structures galactiques nommées superbulles. Ces objets sont formés par la combinaison des forts vents stellaires issus des étoiles massives ainsi que de plusieurs supernovae, tout ceci regroupé dans un espace de quelques dizaines ou centaines de parsecs.On peut dès lors se poser la question suivante : est-il possible que des amas d'étoiles jeunes, n'ayant pas encore connu d'épisode de supernova, puissent être des accélérateurs cosmiques.Pour ce type d'investigation, l'astronomie gamma est aux premières loges puisque contrairement au rayonnement cosmique chargé, ce type de messager céleste n'est pas dévié dans son voyage depuis la source jusqu'à nous.L'objet de ce travail est ainsi d'évaluer la possibilité pour ces amas d'étoiles jeunes, de recycler une partie de l'énergie mécanique transférée au milieu interstellaire dans l'accélération de particules et partant, dans l'émission d'un rayonnement non-thermique. Cette étude propose, à partir d'un spectre d'injection pour des particules chargées (proton et/ou électrons), de modéliser l'émission non-thermique attendue considérant les pertes que celles-ci subissent. Un catalogue d'amas potentiellement prometteurs est dressé ainsi qu'un classement de ceux-ci au regard du flux de gamma attendu. Une analyse des données des télescopes H.E.S.S. est conduite pour un certain nombre d'amas sélectionnés. Ce réseau de télescopes Cherenkov situé en Namibie est le plus performant dans sa catégorie. Il est dédié à l'observation des rayons gamma de très haute énergie.Une analyse des données du Fermi-LAT ont également été effectuées. Il s'agit cette fois d'un satellite dédié à la partie des hautes énergies du rayonnement gamma.Enfin, on contraint les paramètres de notre modèle grâce aux résultats issus de ces analyses.L'expérience H.E.S.S., qui a fonctionné à 4 télescopes dès 2003, est depuis 2012 au tout début de sa deuxième phase consistant en l'ajout d'un cinquième télescope de plus grand diamètre. On montre ici, grâce à des simulations de gerbes, la nécessité pour ce télescope de disposer d'un système de focus permettant l'ajustement de la distance caméra-miroirs conduisant à de meilleures performances (taux de déclenchement, résolution angulaire). / More than one century ago, Victor Hess discovered the cosmical origin of the mysterious ionizing radiation. Yet, nowadays it still has a lot of secrets for us. Roughly below the PeV energy, the best candidates already proposed in 1934 were the supernovae remnants (SNR). These candidates still remain ; in the past we considered isolated SNRs, while today we rather think about SNRs inside big structures as superbubbles. These objects are formed by powerful stellar winds from massive stars combined with several SNRs gathered in a space of some decades or hundreds of parsecs. Observations show that the majority of the SNRs occurs in such regions. The point for us is to know if star clusters or associations of massive stars, not hosting any SNR, could also accelerate particles to very high energies and consequently emit gamma-rays.The gamma-ray astronomy is relevant in order to solve this type of riddle because the Very High Energy photons do not suffer of any deviation due to the Galactic magnetic field. It means that we can get informations from the source itself by detecting the gamma-ray radiation.In our study we assume that a part of the mechanical energy transferred to the interstellar medium can be used to accelerate charged particles, which will emit non-thermal radiations.First we assume a given injection spectrum (for electrons and/or protons), then we model the non-thermal emission expected considering particles losses.We deliver a catalogue of promising clusters and we rank them according to the expected strength of the gamma-ray flux.We conducted the analysis of H.E.S.S. data collected toward some selected clusters. The H.E.S.S. experiment is situated in Namibia and is the most efficient array of Cherenkov telescopes. We also used the Fermi-LAT public data. Fermi is a space-based telescope for High Energy gamma ray.Then we constrain our model with the obtained analysis results.The H.E.S.S. experiment had initially 4 telescopes in operation since 2003. In 2012, the second phase of the experiment started when a fifth larger one was added. We show here that it is relevant for this telescope to use a focus system in order to move the camera and change the distance camera-mirrors. The simulations show that the focus system leads to better performances (trigger rate, angular resolution).

L'ère des observations interférométriques mène à la nécessité d'une description plus précise de la structure physique et de la dynamique des régions de formation d'étoiles, des coeurs pré-stellaires et des disques proto-planétaires. L'émission moléculaire et du continuum de la poussière peuvent être décrites par de multiples composantes physiques. Pour comparer avec les observations, un modèle de transfert radiatif précis et complexe de ces régions est nécessaire. J'ai développé au cours de cette thèse une application autonome appelée GASS (Generator of Astrophysical Sources Structures, Quénard et al., soumis) à cette fin. Grâce à son interface, GASS permet de créer, de manipuler et de mélanger différents composants physiques tels que des sources sphériques, des disques et des outflows. Dans cette thèse, j'ai utilisé GASS pour travailler sur différents cas astrophysiques et, entre autres, j'ai étudié en détail l'eau et l'émission de l'eau deutérée dans le coeur pré-stellaire L1544 (Quénard et al., 2016) ainsi que l'émission des ions dans la proto-étoile de faible masse IRAS16293-2422 (Quénard et al., soumis). / The era of interferometric observations leads to the need of a more and more precise description of physical structure and dynamics of star-forming regions, from pre-stellar cores to proto-planetary disks. The molecular and dust continuum emission can be described with multiple physical components. To compare with the observations, a precise and complex radiative transfer modelling of these regions is required. I have developed during this thesis a standalone application called GASS (Generator of Astrophysical Sources Structures, Quénard et al., submitted) for this purpose. Thanks to its interface, GASS allows to create, manipulate, and mix several different physical components such as spherical sources, disks, and outflows. In this thesis, I used GASS to work on different astrophysical cases and, among them, I studied in details the water and deuterated water emission in the pre-stellar core L1544 (Quénard et al., 2016) and the emission of ions in the low-mass proto-star IRAS16293-2422 (Quénard et al., submitted).

Cette thèse présente une étude des coeurs denses et massifs de deux régions de formation d'étoiles massives de notre Galaxie. J'utilise pour ce travail des observations Herschel-HOBYS de NGC 6334 et NGC 6357 complémentées par les sondages GLIMPSE, MIPSGAL, ATLASGAL, MALT90 ainsi que des observations SCUBA-2 et SIMBA. La vision multi-longueur d'onde m'a permis d'identifier spatialement les coeurs les plus denses des deux régions et d'extraire leur distribution spectrale d' énergie. J'ai modélisé l'émission des coeurs pour extraire leurs paramètres physiques et j'ai utilisé des données infrarouge, des catalogues de sources masers et radio, ainsi que des raies mol éculaires pour déterminer leur statut évolutif. Mon travail présente l'extraction des coeurs denses et massifs ainsi que l'analyse de leur distribution spatiale et de leurs paramètres physiques dans le contexte évolutif de la formation d'étoiles massives dans les régions NGC 6334 et NGC 6357. / This thesis aims at studying the massive dense cores found inside two regions of high-mass star formation within our Galaxy. I make use of Herschel observations of NGC 6334 and NGC 6357 from the HOBYS project, complemented with the GLIMPSE, MPISGAL, ATLASGAL, MALT90 surveys as well as observations from SCUBA-2 and SIMBA. The multi-wavelength view allows me to spatially identify the densest cores in both regions and extract their spectral energy distribution. I modelled the emission from the cores to extract their physical parameters and I used infrared data, masers and radio catalogues, and molecular lines to assess their evolutionary status. My study present the extraction of massive dense cores in the regions NGC 6334 and NGC 6357 together with the analysis of their spatial distribution and physical parameters in the evolutionnary context of massivestar formation that is occuring in both regions.

Les Antennes sont une des fusions de galaxies les plus connues dans l’Univers proche. Sa proximité nous permet d’observer et d’étudier ses gaz à l’échelle de la formation des amas stellaires. C’est une source idéale pour comprendre comment la dynamique dans les fusions de galaxies déclenche la formation d’étoiles. La plupart des étoiles dans les Antennes sont formées dans des amas stellaires compacts et massifs, surnommés super-star clusters (SSC). Les SSC les plus massifs (>106 M⊙) et les plus jeunes (<6 Myr) sont situés dans la région de collision entre les deux galaxies et sont associés aux complexes moléculaires massifs (~108 M⊙) et super-géants (des centaines de pc) (super-giant molecular clouds, SGMCs). La formation de SSC doit impliquer une intéraction complexe entre la dynamique des gaz et une turbulence entraînée par la fusion des galaxies, et la dissipation de l’énergie cinétique des gaz. Dans les SGMC, une hiérarchie de structures doit être produite, incluant des concentrations denses et compactes de gaz moléculaires qui sont suffisamment massifs pour former un SSC, des nuages pre-cluster clouds (PCC). La formation des étoiles se produira si l’énergie mécanique des PCC est émise dans le lointain, permettant à l’auto-gravité de gagner localement les pressions thermique et turbulente du gaz. Des diagnostics spécifiques de dissipation turbulente sont donc des éléments essentiels pour tester la validité de ce scénario.J’étudie la région d’intéraction des Antennes. J’utilise des observations avec le spectro- imageur SINFONI sur le VLT (raies rovibrationnelles de H2) et ALMA (raie CO(3–2) et l’émission du continuum de la poussière). Les données ont des résolutions angulaires pour résoudre les échelles de la formation des SSC et des résolutions spectrales pour résoudre les mouvements à l’intérieur du SGMC. La combinaison des raies CO et H2 est essentielle dans mon travail. J’utilise le CO comme traceur de la distribution et de la cinématique du gaz moléculaire, et H2 comme traceur du taux de dissipation d’énergie mécanique de gaz.Ma thèse se concentre sur des sources traçant des différentes étapes de la formation d’étoiles : le rassemblement des gaz pour former des SGMCs, la formation des PCC dans les SGMCs et la destruction des nuages moléculaires par les SSC. Je montre que la turbulence joue un rôle essentiel à chaque étape. J’ai trouvé que l’énergie cinétique de rencontre des deux galaxies n’est pas thermalisée dans les chocs aux échelles où elle est injectée. Elle entraîne une turbulence dans l’ISM moléculaire à un niveau beaucoup plus élevé que celui observé dans la Voie Lactée. Sauf dans les SSC encore intégrés dans les nuages moléculaires, la raie de H2 est produite par des chocs et trace la dissipation de l’énergie cinétique turbulente du gaz. J’associe l’émission de H2 à la perte d’énergie cinétique nécessaire pour former des nuages gravitationnellement liés. Cette interprétation est étayée par la découverte d’une source lumineuse et compacte en H2, qui n’est associée à aucun SSC connu, située là où les données montrent le plus grand gradient de vitesse. À notre connaissance, c’est la première fois qu’une source extragalactique avec ces caractéristiques est identifiée. Nous observons la formation d’un nuage suffisamment massif pour former un SSC. Les données montrent également la destruction d’un nuage moléculaire par un SSC récemment formé. Sa matière est faiblement liée. Sa gravité serait soutenue par la turbulence, ce qui rend plus facile pour les mécanismes de rétroaction de perturber le nuage parent.Enfin, je présente deux projets. Je propose d’établir d’autres traceurs de dissipation d’énergie observables avec ALMA, proposition du Cycle 1 acceptée en première priorité. Je propose également d’étendre mon travail pour étudier la formation des étoiles entraînées par la turbulence dans différentes sources extragalactiques en combinant les observations dans le proche infrarouge et submillimétrique. / The Antennae (22 Mpc) is one of the most well-known mergers in the nearby Universe. Its distance allow us to observe and study the gas at the scales of stellar cluster formation. It is an ideal source to understand how the galaxy dynamics in mergers trigger the formation of stars. Most of the stars in the Antennae are formed in compact and massive stellar clusters, dubbed super-star clusters (SSCs). The most massive (>106 M⊙) and youngest (<6 Myr) SSCs are located in the overlap region, where the two galaxies collide, and are associated with massive (several 108 M⊙) and super-giant (few hundred of pc) molecular complexes (SGMCs). The formation of SSCs must involve a complex interplay of merger-driven gas dynamics, turbulence fed by the galaxy interaction, and dissipation of the kinetic energy of the gas. Within SGMCs, a hierarchy of structures must be produced, including dense and compact concentrations of molecular gas massive enough to form SSCs, pre-cluster clouds (PCCs). For star formation to occur, the mechanical energy of PCCs must be radiated away to allow their self-gravity to locally win over their turbulent gas pressure. Specific tracers of turbulent dissipation are therefore key inputs to test the validity of this theoretical scenario. In my thesis, I studied the Antennae overlap region. My work is based on observations with the SINFONI spectro-imager at the VLT, which includes H2 rovibrational and Brγ line emission, and with ALMA, which includes the CO(3-2) line and dust continuum emission. Both data-sets have the needed sub-arcsecond angular resolution to resolve the scales of SSC formation. The spectral resolutions are enough to resolve motions within SGMCs. Combining CO and H2 line emission is key in my PhD work. I use CO as a tracer of the distribution and kinematics of the molecular gas, and H2 as a tracer of the rate at which the gas mechanical energy is dissipated.My thesis focuses on diverse sources in the Antennae overlap region which trace different stages of star formation: the gathering of mass necessary to form SGMCs, the formation of PCCs within SGMCs and the disruption of a parent cloud by a newly formed SSC. I show that at each stage turbulence plays a key role. I found that the kinetic energy of the galaxies is not thermalized in large scale shocks, it drives the turbulence in the molecular ISM at a much higher level than what is observed in the Milky Way. Near-IR spectral diagnostics show that, outside of SSCs embedded in their parent clouds, the H2 line emission is powered by shocks and traces the dissipation of the gas turbulent kinetic energy. I relate the H2 emission to the loss of kinetic energy required to form gravitationally bound clouds. This interpretation is supported by the discovery of a compact, bright H2 source not associated with any known SSC. It has the largest H2/CO emission ratio and is located where the data show the largest velocity gradient in the interaction region. To our knowledge, this is the first time that an extragalactic source with such characteristics is identified. We would be witnessing the formation of a cloud massive enough to form a SSC. The data also allow us to study the disruption of a parent molecular cloud by an embedded SSC. Its matter is loosely bound and its gravity would be supported by turbulence, which makes it easier for feedback to disrupt the parent cloud. I end my manuscript presenting two projects. I propose to establish additional energy dissipation tracers observable with ALMA, which gives us the high spatial and spectral resolution needed to isolate scales at which clusters form. This is a Cycle 1 proposal accepted in first priority. I also plan to expand my work to other nearby extragalactic sources by investigating the turbulence-driven formation of stars in different extragalactic sources by combining near-IR and submillimeter observations.