La détermination des conditions physiques dans des milieux énergétiques tels que les nuages moléculaires interstellaires et les plasmas froids (température, densité du gaz, abondance moléculaire) requiert la connaissance des taux de collisions des molécules par collisions avec les espèces dominantes que sont e−, H, He et H2. Dans ce cadre, des calculs de chimie quantique et de dynamique collisionnelle ont été réalisés pour HCl en collision avec He et H2 et pour les collisions ions-électrons les systèmes BeH+ (et ses isotopes) et H2+ ont été étudiés. Les conséquences découlant de ces calculs sur les milieux énergiques sont présentées. / The determination of the physical conditions in energetic media such as interstellar molecular clouds and cold plasmas (temperature, gas density, molecular abundance) requires the knowlegde of collisional rate coefficients of molecules in collisions with the dominant species which are e, H, He and H2. In this context, quantum chemistry calculations and collisional dynamics were performed for HCl in collision with He and H2 and the electron-ion collisions for BeH+ (and its isotopes) and H2+ were studied. The consequences of these calculations on the energetic media are presented.

Ce travail est une étude expérimentale de la spectroscopie électronique des cations hydrocarbures aromatiques polycycliques (PAH) et de leurs agrégats dans des conditions simulant celles régnant dans le milieu interstellaire, froids et totalement isolés. L’objectif principal est d’obtenir des spectres au laboratoire qui puissent être comparés aux spetres des Bandes Diffuses Interstellaires et d’explorer les propriétés des agrégats de PAH. / This work is mainly an experimental study of the electronic spectroscopy of the polycyclic aromatic hydrocarbon cations and their clusters in conditions close to those of the interstellar medium. The aim of this study is to obtain data that can be compared with the spectrum of the diffuse interstellar bands and to explore the properties of PAH clusters.

Les glaces du milieu interstellaire sont invoquées comme l'une des origines de la formation de molécules organiques complexes dans l'espace. En effet, elles constituent un support catalytique pour des réactions chimiques et pourraient ainsi expliquer la formation de molécules d'intérêt prébiotique. Toutefois, en raison de la faible température des milieux considérés, la vitesse de la réaction est contrainte par le déplacement des différentes réactifs l'un vers l'autre. L'objectif de cette thèse est donc de traiter la réactivité et la diffusion de molécules simples dans les glaces interstellaires. Je présente dans cette thèse les résultats de l'étude de la réaction entre le dioxyde de carbone et l'ammoniac dans les glaces interstellaires. Cette étude a été effectuée au Laboratoire Univers et Particules de Montpellier ; elle combine différentes méthodes de la chimie théorique et confronte les résultats avec ceux issus d'expériences que j'ai réalisées au Laboratoire de Physique des interactions Ioniques et Moléculaires de l'Université d'Aix-Marseille. Dans une première partie, des simulations de dynamique moléculaire classiques sont employées pour simuler un modèle de glace amorphe basse densité. Ce modèle est utilisé pour simuler la trajectoire de petites molécules (NH3, CO, CO2, H2CO) dans cette glace et en déduire des coefficients de diffusion à différentes températures. Ces résultats sont comparés à des résultats expérimentaux de diffusion du dioxyde de carbone ce qui valide la méthode théorique utilisée et permet de suggérer un mécanisme pour ce processus de diffusion. Dans une deuxième partie, la réaction entre le dioxyde de carbone et l'ammoniac est traitée dans le cadre de la théorie de la fonctionnelle densité par une approche « super-molécule ». Dans cette approche, le profil d'énergie et le mécanisme de la réaction dans des complexes moléculaires xNH3:CO2:yH2O sont étudiés. Deux produits de la réaction sont localisés : le carbamate d'ammonium et l'acide carbamique. La barrière d'énergie de la réaction obtenue est similaire à celle obtenue expérimentalement, et le carbamate d'ammonium est confirmé comme produit majoritaire de la réaction. Le profil d'énergie obtenu par cette approche « super-molécule » est ensuite étudié par dynamique moléculaire ab initio contrainte et le profil d'énergie libre est calculé par la méthode d'Intégration Thermodynamique. Cette approche confirme la forme générale du profil d'énergie et met en évidence un fort effet entropique du réseau d'eau. Je dresse finalement des conclusions sur les plans méthodologiques et astrochimiques permettant d'inscrire ma thèse dans des perspectives futures, notamment en incluant les barrières d'énergie de diffusion et de réaction, dans des modèles astrochimiques prenant en compte directement les réactions chimiques dans les glaces interstellaires. / It is postulated nowadays that complex organic molecules in space form on the surface and in the volume of interstellar ices. These ices can catalyse chemical reactions what could explain the formation of prebiotic molecules. However, because of the low temperatures, the diffusion of the reactants one towards another is slow, limiting their reactivity. The objectif of this thesis is to treat the reactivity and the diffusion of simple molecules in interstellar ices. I present in this thesis the results of the study of the chemical reaction between carbon dioxide and ammonia in interstellar ices. This study was conducted in the Laboratoire Univers et Particules de Montpellier : it combines various theoretical chemistry methods and confront the results to experimental ones I participated in at the Laboratoire de Physique des Interactions Ioniques etMoléculaires of the Aix-Marseille university. In a first part, classical molecular dynamic simulations are used to simulate a low-density amorphous ice model and to calculate the diffusion coefficients at various temperatures of a series of small molecules (NH3, CO, CO2, H2CO). These results are compared to the experimental diffusion coeficients of the carbon dioxide validating the theoretical approach used and allowing to porpose a mechanism for the diffusion process. In a second part, the reaction between carbon dioxide and ammonia is studied in the frame of Density-Functional Theory using a « super-molecular » approach. In this approach, the reaction energy profile for the molecular complexes xNH3:CO2:yH2O, is studied. Two reaction products are localised : the ammonium carbamate and the carbamic acid. The reaction energy barrier obtained by these calculations is similar to the one obtained experimentally, and the ammonium carbamate is confirmed as the major reaction product. The obtained energy profile is therfore investigated by constrained ab initio molecular dynamics and the free energy profile is computed with the Thermodynamics Integration method. These calculations confirme the general form of the previous energy profile and enlight the strong entropic effect of the water network. Finally, conclusions are drawn, and perspectives on methodological as well as on astrochemical aspects, as the inclusion of the reaction and diffusion energy barriers I calculated in astrochemical models, are given.

De l'IR au submillimétrique, le spectre du milieu interstellaire (MIS) est dominé par l'émission des grains de poussière interstellaires. Les plus petits d'entre eux, les PAHs, sont en fait de grosses molécules aromatiques polycycliques hydrogénées. Leur présence est attestée par l'observation d'une série de bandes vibrationnelles dans l'IR moyen, caractéristiques de modes de vibration C-C et C-H sur des cycles aromatiques. Etant donnée l'importance des PAHs pour la physique et la chimie du MIS (chauffage du gaz, formation de H2), il est essentiel de trouver d'autres observables pour contraindre leurs propriétés. L'émission micro-onde des grains interstellaires qui sera observée prochainement avec le satellite Planck est de ce point de vue une opportunité. En effet, les efforts faits récemment dans le but de mesurer les fluctuations du fonds diffus cosmologique ont motivé une étude détaillée des émissions Galactiques dans le domaine micro-onde. Un excès d'émission inattendu a été découvert entre 10 et 90 GHz et ne peut être expliqué par aucun des mécanismes d'émission déjà connu dans ce domaine de fréquences. Cet excès, baptisé « émission anormale », s'est révélé être corrélé à l'émission IR des grains interstellaires. L'origine de l'émission anormale pourrait être l'émission dipolaire électrique de PAHs en rotation.<br /> L'objectif central de ma thèse est la compréhension de l'émission des PAHs interstellaires à grande longueur d'onde en vue de mieux contraindre leurs propriétés et de préparer l'analyse des données Planck-Herschel. Mon travail de thèse a consisté en deux parties complémentaires : modélisation de l'émission des PAHs interstellaires de l'IR proche au centimètre, puis confrontation de ce modèle aux observations disponibles dans le but d'obtenir un modèle physique.<br /> La première partie de mon travail de modélisation concerne l'émission rovibrationnelle des PAHs. J'ai adopté une section efficace déduite des observations ISO et Spitzer pour λ ≤ 20 µm. A plus grande longueur d'onde, trois modes vibrationnels ont été ajouté à partir des travaux théoriques de Malloci et al. (2007). Ce modèle permet de reproduire le spectre du milieu diffus et d'une région de photodissociation avec un mélange de PAHs neutres et ionisés. J'ai par ailleurs montré que si l'émission rovibrationnelle des PAHs dans l'IR moyen est proportionnelle à l'intensité du champ de rayonnement, ce n'est plus le cas pour λ ≥ 3 mm. La seconde partie a consisté en la modélisation de l'émission purement rotationnelle des PAHs. J'ai utilisé des propriétés moléculaires réalistes et traité les interactions avec les atomes et les ions du gaz interstellaire. L'excitation et le freinage par émission de photons rotationnels et rovibrationnels ont également été inclus. L'émission rotationnelle en bande large a été estimée pour une large gamme de conditions astrophysiques et de propriétés des grains. J'ai par ailleurs mis en évidence l'indépendance du spectre d'émission rotationnelle par rapport à l'intensité du champ de rayonnement G0 et à la densité du milieu dans lequel les grains se trouvent nH (G0 ≤ 100 et nH ≤ 30 cm-3).<br /> J'ai ensuite confronté les résultats de cette modélisation aux observations disponibles. La première étape a été l'extraction de l'émission anormale des données WMAP, à laquelle j'ai participé. Nous avons pu mettre en évidence l'existence d'une composante anormale forte, non polarisée, à 23 GHz. Elle a été incluse dans le Planck Sky Model. Pour la première fois, nous avons pu montrer que l'émission anormale est bien corrélée avec l'émission des poussières et que cette corrélation est meilleure à 12 µm (caractéristique des PAHs) qu'à 100 µm (caractéristique de grains plus gros). J'ai également montré l'indépendance de l'émission anormale par rapport à l'intensité du champ de rayonnement, une des prédictions du modèle. Les caractéristiques des grains déduites de l'émission anormale sont par ailleurs en accord avec celles déduites de l'émission IR. J'ai également étudié la région moléculaire G159.6-18.5 dans Persée et montré que son spectre d'émission anormale est bien ajusté avec une distribution de tailles bimodale, en accord avec les travaux théoriques de Le Page et al. (2003).

Les poussières interstellaires sont des particules solides dont les tailles sont comprises entre le nanomètre et le micron. Bien que représentant une faible proportion en masse du milieu interstellaire, elles jouent un rôle essentiel dans son évolution et de façon générale dans l'évolution des galaxies. Les poussières interstellaires sont observables dans les domaines UV et visible en extinction et de l'infrarouge au submillimétrique en émission. La conduite d'observations astrophysiques conjuguée au développement de modèles numériques de poussières et à l'étude d'analogues de grains en laboratoire permet d'affiner notre connaissance de ces particules solides. En particulier, il existe aujourd'hui de nombreuses preuves d'une évolution des grains dans le milieu interstellaire. Cependant, les processus physiques responsables de cette évolution sont aujourd'hui encore mal connus. Afin de comprendre comment évoluent les grains avec les propriétés physiques, il est nécessaire d'observer les poussières dans différents environnements. Les régions de photodissociation (PDR) sont des zones du milieu interstellaire présentant l'avantage de voir leur champ de rayonnement et leur densité locale varier sur de faibles échelles spatiales (~10- 20 arcsec). De plus, la grande variété de traceurs du gaz permet de contraindre efficacement les conditions physiques dans les PDR. Toutefois, l'émission des grains à l'équilibre thermique dans les PDR, qui domine l'émission dans l'infrarouge lointain, n'était que rarement résolue spatialement. Les instruments PACS et SPIRE, à bord de l'observatoire spatial Herschel, permettent aujourd'hui de disposer d'observations spectro-photométriques entre 70 et 500 µm, dont la résolution spatiale (comprise entre 5 et 35 arcsec) en fait des données idéales pour l'étude de l'évolution des poussières dans les PDR. Nous présentons l'analyse des observations Herschel de trois PDR, la Barre d'Orion, la Tête de Cheval et la NGC 7023 Est, caractérisées par des conditions physiques différentes. En combinant ces données aux observations Spitzer, nous pouvons étudier simultanément l'émission des poussières entre 3.6 et 500 µm à différentes positions de la PDR. Pour cela, des profils d'intensité reliant l'étoile à la PDR sont extraits à chaque longueur d'onde puis comparés spatialement. Un décalage de la position du pic d'émission dû au transfert radiatif est observé : plus la longueur d'onde est grande, plus le pic est éloigné de l'étoile excitatrice. Par contre, la comparaison entre les profils d'intensité observés et ceux calculés à partir d'un code de transfert de rayonnement couplé à un modèle de poussières correspondant aux propriétés du milieu interstellaire diffus révèle des différences liées à une évolution des grains pour chaque PDR étudiée. A la vue des écarts, nous concluons que l'abondance des PAH, plus petite composante de grains interstellaires, est plus faible dans les PDR que dans le milieu diffus suggérant la présence d'un phénomène de photo-destruction et/ou d'agrégation des PAH sur les gros grains dans les PDR. Ceci pourrait être accompagné d'une augmentation d'émissivité des gros grains liée à un mécanisme de coagulation. Les observations Herschel des PDR nous offrent également l'opportunité de nous intéresser aux variations du spectre des grains à l'équilibre thermique avec le rayonnement au travers des PDR. Un ajustement d'une loi de corps noir modifié permet d'extraire une épaisseur optique, une température et un indice spectral des grains. L'étude de ces deux derniers paramètres révèle une anticorrélation confirmant ainsi des travaux précédents. Cependant, la comparaison de la dépendance de la température et de l'indice spectral dans différentes régions montre différents comportements et exclut une dépendance universelle entre ces deux paramètres. Ce résultat ouvre de nouvelles perspectives quant à l'étude de l'évolution des poussières dans le milieu interstellaire.

Nous étudions la migration radiale des étoiles, et testons son impact sur l’évolution chimique de la Voie Lactée. Pour cela nous utilisons une simulation N-corps+SPH (Gadget-3) de galaxie fortement barrée, afin d’étudier la migration radiale induite par la barre. Nous examinons un nouveau mécanisme de migration radiale: une fraction des étoiles piégées à la corotation de la barre, se déplacent avec le rayon de corotation lorsque celui-ci va vers l’extérieur (quand la vitesse de rotation de la barre diminue, du fait de son évolution séculaire). Nous montrons que ce mécanisme affecte principalement les régions externes du disque, à condition que la corotation atteigne ces régions. Nous montrons également que ce mécanisme n’a pas d’effets dans la Voie Lactée, car les estimations observationnelles des caractéristiques de la barre, indiquent que la corotation est loin des zones externes. Nous analysons également la migration radiale dans cette simulation, afin de construire un modèle empirique de diffusion stellaire dans le disque, et nous incluons ce modèle dans un code semi-analytique d’évolution chimique de galaxie. Nous testons la validité de cette approche en vérifiant que les galaxies simulées N-corps+SPH et semi-analytique ont des propriétés morphologiques et chimiques similaires. Nous appliquons ensuite notre modèle à la Voie Lactée, en adaptant les paramètres du modèle. Puis, nous comparons les résultats obtenus avec un grand nombre d’observations concernant le voisinage solaire (relation âge-métallicité, distribution de métallicité, relation a/Fe vs Fe/H et la bimodalité disque mince - disque épais) , et les gradients radiaux d’abondance. / We study the radial migration of stars, and test its impact on the chemical evolution of the Milky Way. For this we use a simulation-body + SPH (Gadget-3) strongly barred galaxy to study the radial migration induced by the bar. We examine a new mechanism of radial migration: a fraction of stars trapped at corotation with the bar, move with the corotation radius when it goes outwards (when the rotational speed of the bar decreases, because of its secular evolution). We show that this mechanism affects mainly the outer regions of the disc, provided that the corotation reaches these regions. We also show that the mechanism has no effects in the Milky Way, as the observational estimates of the characteristics of the bar indicates that the corotation is not in the outer regions. We also analyze the radial migration in this simulation to construct an empirical model of diffusion in the stellar disk, and we include this model in a semi-analytic code of chemical evolution of galaxy. We test the validity of this approach by ensuring that the galaxies simulated with N-body + SPH and semi-analytic have similar morphological and chemical properties. We then apply our model to the Milky Way, by adapting the model parameters. Then, we compare the results obtained with a large number of observations on the solar neighborhood (age-metallicity relation, metallicity distribution, relationship O/Fe vs. Fe/H and bimodality thin disk - thick disk), and radial gradients of abundances.

Les poussières interstellaires sont des particules solides dont les tailles sont comprises entre le nanomètre et le micron. Bien que représentant une faible proportion en masse du milieu interstellaire, elles jouent un rôle essentiel dans son évolution et de façon générale dans l'évolution des galaxies. Les poussières interstellaires sont observables dans les domaines UV et visible en extinction et de l'infrarouge au submillimétrique en émission. La conduite d'observations astrophysiques conjuguée au développement de modèles numériques de poussières et à l'étude d'analogues de grains en laboratoire permet d'affiner notre connaissance de ces particules solides. En particulier, il existe aujourd'hui de nombreuses preuves d'une évolution des grains dans le milieu interstellaire. Cependant, les processus physiques responsables de cette évolution sont aujourd'hui encore mal connus. Afin de comprendre comment évoluent les grains avec les propriétés physiques, il est nécessaire d'observer les poussières dans différents environnements. Les régions de photodissociation (PDR) sont des zones du milieu interstellaire présentant l'avantage de voir leur champ de rayonnement et leur densité locale varier sur de faibles échelles spatiales (~10- 20 arcsec). De plus, la grande variété de traceurs du gaz permet de contraindre efficacement les conditions physiques dans les PDR. Toutefois, l'émission des grains à l'équilibre thermique dans les PDR, qui domine l’émission dans l’infrarouge lointain, n'était que rarement résolue spatialement. Les instruments PACS et SPIRE, à bord de l'observatoire spatial Herschel, permettent aujourd'hui de disposer d'observations spectro-photométriques entre 70 et 500 µm, dont la résolution spatiale (comprise entre 5 et 35 arcsec) en fait des données idéales pour l'étude de l'évolution des poussières dans les PDR. Nous présentons l'analyse des observations Herschel de trois PDR, la Barre d'Orion, la Tête de Cheval et la NGC 7023 Est, caractérisées par des conditions physiques différentes. En combinant ces données aux observations Spitzer, nous pouvons étudier simultanément l'émission des poussières entre 3.6 et 500 µm à différentes positions de la PDR. Pour cela, des profils d'intensité reliant l'étoile à la PDR sont extraits à chaque longueur d'onde puis comparés spatialement. Un décalage de la position du pic d’émission dû au transfert radiatif est observé : plus la longueur d'onde est grande, plus le pic est éloigné de l'étoile excitatrice. Par contre, la comparaison entre les profils d'intensité observés et ceux calculés à partir d'un code de transfert de rayonnement couplé à un modèle de poussières correspondant aux propriétés du milieu interstellaire diffus révèle des différences liées à une évolution des grains pour chaque PDR étudiée. A la vue des écarts, nous concluons que l'abondance des PAH, plus petite composante de grains interstellaires, est plus faible dans les PDR que dans le milieu diffus suggérant la présence d'un phénomène de photo-destruction et/ou d'agrégation des PAH sur les gros grains dans les PDR. Ceci pourrait être accompagné d'une augmentation d'émissivité des gros grains liée à un mécanisme de coagulation. Les observations Herschel des PDR nous offrent également l'opportunité de nous intéresser aux variations du spectre des grains à l'équilibre thermique avec le rayonnement au travers des PDR. Un ajustement d'une loi de corps noir modifié permet d'extraire une épaisseur optique, une température et un indice spectral des grains. L'étude de ces deux derniers paramètres révèle une anticorrélation confirmant ainsi des travaux précédents. Cependant, la comparaison de la dépendance de la température et de l'indice spectral dans différentes régions montre différents comportements et exclut une dépendance universelle entre ces deux paramètres. Ce résultat ouvre de nouvelles perspectives quant à l'étude de l'évolution des poussières dans le milieu interstellaire. / Interstellar dust grains are nanometre to micrometer-sized particles. Although a weak proportion of the total interstellar mass is at solid state, dust plays a fundamental role in the evolution of the interstellar medium (ISM) and of the galaxy itself. Grains can be observed in the UV and visible wavelength through extinction whereas their emission is in the infrared to sub-millimetre range. Astrophysical observations combined to numerical models and laboratory studies of dust analogues improve our comprehension of the nature and the physics of interstellar grains. For example, evidence of dust evolution in the interstellar medium are now numerous, even if the physical processes responsible of this evolution are still poorly understood. Understanding how grains evolve with physical conditions requires observations of various environments. Photodissociation regions (PDRs) are zones of the ISM where the radiation field and the local density vary on short spatial scales (~10- 20 arcsec). Moreover the many gas tracers offer the opportunity to constraint efficiently the physical conditions within PDRs. Past missions such as ISO and Spitzer allow to study the evolution of dust in the near-Infrared range. At longer wavelengths, where the grains at thermal equilibrium with the radiation dominate the emission, instruments rarely resolved the spatial emission in PDRs. PACS and SPIRE instruments onboard Herschel Space Observatory provide spectro-photometric data between 70 and 500 µm. Their high spatial resolution (from 5 to 35 arcmin) makes these observations ideal for the study of dust evolution in PDRs. We present here an analysis of Herschel observations of three PDRs: the Orion Bar, the Horsehead and NGC 7023 East, characterized by different physical conditions. By combining these data with shorter wavelength observations from Spitzer, we can study the dust emission spectrum from 3.6 to 500 µm at different positions within the PDR. Intensity profiles are extracted along the PDR at each wavelength and spatially compared. We highlight a shift between the position of the emission peak: the longest the wavelength, the furthest the peak from the exciting star. This is a consequence of the radiative transfer in the PDR as shown from a plane parallel transfer code coupled with a dust model. The comparison between the observed and the modelled profiles computed with typical diffuse dust abundances and properties shows differences linked to dust evolution in each studied PDR. These discrepancies between the data and the model indicate a lower Polycyclic Aromatic Hydrocarbon (PAH, the smallest dust component) abundance in the PDR than in the diffuse medium suggesting photo-destruction and/or PAH sticking on larger grains. This could be accompanied by an increase of big grain emissivity linked to coagulation. Herschel's observations of PDR also offer the chance to probe the variations of the grains at thermal equilibrium with the radiation through PDRs. A modified blackbody fit allows to compute an optical depth, a temperature and a dust spectral emissivity index. Those two last parameters are clearly anticorrelated, which confirms previous works. However, comparing the temperature and emissivity index dependence in different regions shows various behaviours, which excludes a universal law between these parameters. This result opens new perspectives in the study of the dust evolution in the interstellar medium.

PILOT (Polarized Instrument for Long wavelength Observation of the Tenuous interstellar medium) est une expérience embarquée en ballon stratosphérique destinée à la mesure de l'émission polarisée de notre galaxie dans le submillimétrique. La charge pointée de PILOT est composée d'un télescope au foyer duquel est placée une caméra embarquant 2048 bolomètres, refroidis à 300 mK, mesurant dans deux bandes spectrales (240 µm et 550 µm) et deux polarisations. La détection de la polarisation est réalisée à l'aide d'un polariseur placé à 45° dans le faisceau, le décomposant en deux composantes polarisées orthogonales chacune détectée par un bloc détecteur, et d'une lame demi-onde rotative. L'Institut d'Astrophysique Spatiale (Orsay, France) est responsable de la réalisation, de l'intégration, des tests et de l'étalonnage spectral de la caméra. Pour cela deux bancs de mesures sont développés, un pour les essais d'imagerie et de polarisation, et un pour l'étalonnage spectral. L'expérimentation permet de valider l'alignement des optiques froides, de caractériser la qualité optique des images, de caractériser les réponses temporelles et en intensité des détecteurs, et de mesurer la réponse spectrale de la caméra. Un modèle photométrique de l'instrument est développé simulant les différentes configurations pour les essais d'étalonnage spectral, d'imagerie en laboratoire, et en vol, ceci afin d'estimer la puissance totale reçue par chaque pixel du détecteur de chaque configuration. Cette puissance totale est issue de l'émission thermique de l'instrument, de l'atmosphère et des sources observées en vol ou de l'environnement du laboratoire. Une campagne de tests a permis de caractériser et d'étalonner la caméra de l'expérience PILOT. Les premières images dans le domaine du submillimétrique ont été révélées, et les premières réponses spectrales mesurées. Suite à la caractérisation et l'étalonnage spectral, la caméra est alignée avec le miroir primaire sur la nacelle CNES pour des caractérisations et des étalonnages en polarisation de l'instrument complet. Le premier vol est prévu pour le milieu de l'année 2014. / The Polarized Instrument for Long wavelength Observation of the Tenuous interstellar medium (PILOT) is a balloon borne experiment designed to measure the polarized emission from dust grains in the galaxy in the submillimeter range. The payload is composed of a telescope at the optical focus of which is placed a camera using 2048 bolometers cooled to 300 mK. The camera performs polarized optical measurements in two spectral bands (240 µm and 550 µm). The polarization measurement is based on a cryogenic rotating half-wave plate and a fixed mesh grid polarizer placed at 45° separating the beam into two orthogonal polarized components each detected by a detector array. The Institut d'Astrophysique Spatiale (Orsay, France) is responsible for the design, integration, tests and spectral calibration of the camera. Two optical benches have been designed for its imaging and polarization characterization and spectral calibration. Theses setups allow to validate the alignment of the camera cryogenic optics, to check the optical quality of the images, to characterize the time and intensity response of the detectors, and to measure the overall spectral response. A numerical photometric model of the instrument was developed for the optical configuration during calibration tests (spectral), functional tests (imager) on the ground, and flight configuration at the telescope focus, giving an estimate of the optical power received by the detectors for each configuration. The tests campaign validates the PILOT camera characterization and calibration. It delivered the first submillimeter images and the first spectral responses. Next, the camera will be aligned and integrated with the primary mirror of the telescope on the CNES gondola, for characterization and optical polarization calibration of the complete instrument. The first flight is now planned for mid 2014.

Du point de vue de l’évolution galactique, les nuages moléculaires sont des structures importantes puisque les étoiles y naissent et en héritent leurs propriétés. La formation des molécules à partir du gaz atomique neutre, omniprésent dans le disque de la Galaxie, s’avère donc une étape-clé dans le processus de formation stellaire. Pour générer rapidement des conditions favorables à la chimie moléculaire, i.e. du gaz froid et dense protégé du champ de rayonnement ionisant de la Galaxie, deux modèles de simulations numériques sont envisagés : les écoulements convergents de gaz atomique neutre chaud (WNM) et les écoulements de WNM dont la turbulence est forcée dans l’espace de Fourier. Combinée avec la compression fournie par ces écoulements, l’instabilité thermique résultante des processus de chauffage et de refroidissement du milieu interstellaire engendre des structures de gaz atomique neutre froid (CNM) qui sont des foyers potentiels de formation moléculaire. Dans le même ordre d’idées, des observations récentes de nuages diffus à haute latitude galactique ont montré une corrélation spatiale entre de grands cisaillements de vitesse dans les spectres de la raie à 21 cm de l’hydrogène atomique (HI) et la présence de pics d’émission de molécules telles que le monoxyde de carbone (CO) ou encore l’hydroxyde (OH). Partant de l’hypothèse que ce cisaillement favorise la formation des molécules, des simulations numériques à partir des deux modèles mentionnés précédemment ont été effectuées pour vérifier si la grandeur de ces cisaillements pouvait être reproduite. Une comparaison des deux modèles est effectuée quant à leur capacité à reproduire la grandeur des cisaillements ainsi que les propriétés des structures de gaz froid dans l’environnement solaire et à haute latitude galactique. / From a galactic evolution standpoint, molecular clouds are important structures since they give birth to stars and their properties. Molecule formation from the neutral atomic medium, which is ubiquitous in the Galactic disc, is therefore a key step in the stellar formation process. To rapidly generate favorable conditions for molecules to appear, i.e. to obtain cold and dense gas shielded from the ionizing radiation field of the Galaxy, two numerical simulation models are considered: warm neutral atomic gas (WNM) colliding flows and WNM flows with turbulence driven in Fourier space. Together with the compression provided by these flows, the thermal instability arising from the cooling and heating processes in the interstellar medium produces long lived cold atomic neutral gas (CNM) structures that are potentiel molecular formation sites. Recent observations of diffuse gas at high galactic latitude were undertaken and display CO and OH emission peaks wherever large velocity shears in atomic hydrogen (HI) spectra are present or where HI components merge. Numerical simulations with the two models mentionned above were undertaken in order to investigate whether the amplitude of these velocity shears can be reproduced or not and to examine how they are related to cold gas. Both cloud formation models are then compared to each other and with observations of cold gas structures in the solar neighbourhood and at high galactic latitude.

Dans ce projet de doctorat, nous appliquons une technique d'analyse basée sur la fonction d'autocorrélation à trois domaines distincts de l'astrophysique dans le but de détecter avec une grande précision des variations causées par différents phénomènes physiques dans le profil des raies d'absorption des spectres stellaires. Le premier sujet concerne la mesure de champs magnétiques stellaires. Nous avons obtenu la courbe de variation du module moyen du champ magnétique de 18 étoiles en fonction de leur période de rotation, et avons comparé quelques courbes magnétiques obtenues avec la technique d'autocorrélation avec celles découlant de l'analyse d'un autre groupe de recherche qui a utilisé une méthode conventionnelle. Pour tous les cas, la technique d'autocorrélation nous a procuré des résultats d'une précision supérieure à la technique concurrentielle. Le second sujet analysé se rapporte aux mesures de la vitesse de microturbulence des céphéides avec la technique d'autocorrélation. Nous avons obtenu des courbes de vitesses de microturbulence en fonction de la phase de pulsation de six céphéides. Pour la grande majorité des cas étudiés, nous avons mesuré un pic de vitesse de microturbulence à l'instant où la céphéide atteint son rayon minimal. Ces résultats sont en accord avec des travaux antérieurs menés sur le sujet. Le troisième et dernier sujet analysé est en lien avec la détection de signaux d'exoplanètes par lumière réfléchie de l'étoile hôte. Dans le spectre visible, le signal d'une planète est approximativement une copie de celui de son étoile hôte, mais d'intensité beaucoup plus faible (i.e. 10-⁵ à 10-⁴ fois l'intensité de l'étoile). De ce fait, détecter la signature d'une planète dans le visible avec un degré de certitude acceptable est un défi important. Pour cette portion du projet, nous avons mis de l'avant les avantages de la fonction d'autocorrélation par rapport à une méthode déjà bien établie dans le domaine basée sur la fonction de corrélation croisée au moyen de spectres simulés. De plus, nous avons analysé le système de l'étoile 51 Peg accompagnée de sa planète 51 Peg b. Nous avons réussi à mesurer le signal de la planète 51 Peg b avec une détection maximale de 5.52 ợ bruit. Il s'agit d'un degré de détection presque 50 % supérieur à celui atteint par un autre groupe de recherche ayant utilisé les mêmes spectres et une technique de corrélation croisée.De ce fait, détecter la signature d'une planète dans le visible avec un degré de certitude acceptable est un défi important. Pour cette portion du projet, nous avons mis de l'avant les avantages de la fonction d'autocorrélation par rapport à une méthode déjà bien établie dans le domaine basée sur la fonction de corrélation croisée au moyen de spectres simulés. De plus, nous avons analysé le système de l'étoile 51 Peg accompagnée de sa planète 51 Peg b. Nous avons réussi à mesurer le signal de la planète 51 Peg b avec une détection maximale de 5.52 o bruit. Il s'agit d'un degré de détection presque 50 % supérieur à celui atteint par un autre groupe de recherche ayant utilisé les mêmes spectres et une technique de corrélation croisée.De ce fait, détecter la signature d'une planète dans le visible avec un degré de certitude acceptable est un défi important. Pour cette portion du projet, nous avons mis de l'avant les avantages de la fonction d'autocorrélation par rapport à une méthode déjà bien établie dans le domaine basée sur la fonction de corrélation croisée au moyen de spectres simulés. De plus, nous avons analysé le système de l'étoile 51 Peg accompagnée de sa planète 51 Peg b. Nous avons réussi à mesurer le signal de la planète 51 Peg b avec une détection maximale de 5.52 o bruit. Il s'agit d'un degré de détection presque 50 % supérieur à celui atteint par un autre groupe de recherche ayant utilisé les mêmes spectres et une technique de corrélation croisée. / In this PhD project, we apply an analysis technique based on the autocorrelation function to three different fields in order to detect with great precision variations caused by different physical phenomena in the profile of the absorption lines of stellar spectra. The first subject relates to the measurement of stellar magnetic fields. We obtained the variation curve of the mean magnetic field modulus of 18 stars as a function of their rotation period and compared some magnetic curves obtained with the autocorrelation technique with those of another research group who used a conventional method. For all cases, the autocorrelation technique gave us magnetic curves of a higher precision compared to the competitive technique. The second subject that we studied pertains to the measurements of the microturbulence velocity of Cepheids with the autocorrelation technique. We obtained microturbulence curves as a function of the pulsation phase of six Cepheids. For the vast majority of the cases studied, we measured a microturbulence velocity peak at the precise moment during which the Cepheid reaches its minimum radius. These results are in agreement with previous work done on the subject. The third and last subject refers to the detection of exoplanet signals by reflected light of the host star. In the visible spectrum, the signal of a planet is approximately a copy of that of its host star but of much lower intensity (i.e. 10-⁵ à 10-⁴ the intensity of the star). As a result, detecting the planetary signal in the visible band with an acceptable degree of certainty is a major challenge. For this portion of the project, we have highlighted the advantages of the autocorrelation function compared to an already well-established method in astrophysics based on the cross-correlation function using simulated spectra. In addition, we analyzed the 51 Peg + 51 Peg b planetary system. We succeeded to measure the 51 Peg b planetary signal with a maximum detection of 5.52 o noise. This is about 50 % higher than what was achieved by another research group using the same spectra and a cross-correlation technique.