The most intensely star-forming galaxies lie at z ∼ 2 and are thought to be the progenitors of the most massive galaxies today, yet study of this important population has been hampered by vast quantities of dust, making them almost invisible in the optical and ultraviolet (UV) regimes, and by the low sensitivity and angular resolution of many infrared (IR) facilities. Chapter 2 describes the use of the flux and angular extent boost provided by strong gravitational lensing in the detailed study of individual high-redshift dusty star-forming galaxies (DSFGs). The low number density of such systems has been overcome by recent wide area far-infrared (FIR)–mm surveys, and a sample of candidate systems which are bright enough to study with single-dish FIR telescopes are assembled from these surveys. The chapter further describes spectra of these galaxies obtained using the the Spectral and Photometric Imaging REceiver (SPIRE; Griffin et al. 2010) Fourier transform spectrometer (FTS) on board the Herschel Space Observatory (Pilbratt et al. 2010), exploiting the increased flux densities to search for FIR atomic and ionic spectral lines: important coolants of warm gas surrounding star-formation regions. Chapter 3 describes the first “blind” redshift obtained using Herschel, via the detection of [C ii] 158 μm in one of our spectra. Confirmation of this redshift was provided by detection of CO lines with the Combined Array for Research in Millimeter-wave Astronomy (CARMA) and the Plateau de Bure Interferometer (PdBI), and along with multi-wavelength photometric follow-up, allowed a characterisation of the galaxy, indicating both a merger-driven starburst and an active galactic nucleus (AGN) within the system. Chapter 4 describes the first detection of a massive outflow of molecular gas at high-redshift. Stacking five repeat spectra of the Cosmic Eyelash, one of the best-studied strongly lensed DSFGs, one of the massive star-forming clumps is shown to drive this outflow, albeit likely at a velocity lower than that required to become unbound from the hosting gravitational potential well. Chapter 5 describes line measurements and spectral energy distribution (SED) fitting from the full set of spectra and Herschel PACS mini scan maps. The spectra are stacked to search for faint lines, and compared to a detailed interstellar medium (ISM) model to determine average physical properties of the star-forming gas. Photodissociation region (PDR) properties are found to be similar to those derived using other models, however a cosmic ray ionisation rate of 103 times that of the Milky Way, expected in galaxies of this type cannot reproduce the observed line ratios, in particular the low [O i] 63 μm flux. Chapter 6 finally describes the conclusions drawn from the work presented in this thesis and how these data and analysis add to our knowledge and interpretation of high-redshift DSFGs.

La presence d’inhomogénéite de matière le long de la ligne de visée d’une source lumineuseprovoque la déviation des rayons lumineux : c’est l’effet de lentille gravitationnelle. Dans cette thèse, nous etudions l’effet de lentille gravitationnelle qui affecte les supernovae détectées par le Supernova Legacy Survey et induit une dispersion supplémentaire dans leur distribution en magnitude observée. Cet effet est mis en évidence par la mesure d’une corrélation positive entre : d’une part, le résidu au diagramme de Hubble c’est-à -dire à l’ajustement de la dépendance en redshift de la magnitude de la supernova ; d’autre part, la magnification calculée en modélisant les halos galactiques présents le long de la ligne de visée. Une corrélation positive est estimée, en utilisant les données à cinq ans du Supernova Legacy Survey. Le résultat obtenu est compatible avec les résultats précédemments obtenus sur un lot de supernovae plus restreint. / The presence of mass inhomogeneities along the line of sight of propagation of light fromdistant objects can induce deflection in the flight path of the photon. This phenomenon is called as gravitational lensing. Lensing can have both distortion (shear) and isotropic magnification effects on the source. We studied the effect of lensing magnification on supernova (SN) Ia in this thesis. Presence of lensing would introduce a source of contamination to the brightness distribution of the source (SN Ia in our case). Thus it also enables one to compute the lensing effect indirectly from the Hubble diagram (i.e. from the residual to the Hubble diagram). In this thesis we computed the correlation between these two effects : the Hubble residual and the computed lensing magnification for the SN by the line of sight foreground dark matter haloes. A detection of positive correlation between these two would signify the positivity of lensing signal detection. The data sample is the spectroscopic SNe Ia sample from the five years full SNLS data and the Hubble resiudals are those of the preliminary cosmology analysis performed on SNLS5 data. We obtain a signal of _ = 0.177 at 2.51_. This result is consistent with the previous SNLS three years data lensing analysis results.

Le chemin parcouru par la lumière, lors de sa propagation dans l’Univers, est altéré par la présence d’objets massifs. Cela entraine une déformation des images de galaxies lointaines. La mesure de cet effet, dit de lentille gravitationnelle faible, nous permet de sonder la structure, aux grandes échelles, de notre Univers. En particulier, nous pouvons ainsi étudier la distribution de la matière noire et les propriétés de l’Energie Sombre, proposée comme origine de l’accélération de l’expansion de l’Univers. L’étude de l'effet de lentille gravitationnelle faible constitue l’un des objectifs scientifiques principaux d'Euclid, un télescope spatial de l’Agence Spatiale Européenne en cours de construction.En pratique, ce signal est obtenu en mesurant la forme des galaxies. Toute image produite par un instrument optique est altérée par sa fonction d’étalement du point (PSF). Celle-ci a diverses origines : diffraction, imperfections dans les composantes optiques de l’instrument, effets atmosphériques (pour les télescopes au sol)… Puisque la PSF affecte aussi les formes des galaxies, il est crucial de la prendre en compte lorsque l’on étudie l’effet de lentille gravitationnelle faible, ce qui nécessite de très bien connaître la PSF elle-même.Celle-ci varie en fonction de la position dans le plan focal. Une mesure de la PSF, à certaines positions, est donnée par l’observation d’étoiles non-résolues dans le champ, à partir desquelles on peut construire un modèle de PSF. Dans le cas d’Euclid, ces images d’étoiles seront sous-échantillonnée ; aussi le modèle de PSF devra-t-il contenir une étape de super-résolution. En raison de la très large bande d’intégration de l’imageur visible d’Euclid, il sera également nécessaire de capturer les variations en longueur d’onde de la PSF.La contribution principale de cette thèse consiste en le développement de méthodes novatrices d’estimation de la PSF, reposant sur plusieurs outils : la notion de représentation parcimonieuse, et le transport optimal numérique. Ce dernier nous permet de proposer la première méthode capable de fournir un modèle polychromatique de la PSF, construit uniquement à partir d’images sous-échantillonnées d’étoiles et leur spectre. Une étude de la propagation des erreurs de PSF sur la mesure de forme de galaxies est également proposée. / As light propagates through the Universe, its path is altered by the presence of massive objects. This causes a distortion of the images of distant galaxies. Measuring this effect, called weak gravitational lensing, allows us to probe the large scale structure of the Universe. This makes it a powerful source of cosmological insight, and can in particular be used to study the distribution of dark matter and the nature of Dark Energy. The European Space Agency’s upcoming Euclid mission is a spaceborne telescope with weak lensing as one of its primary science objectives.In practice, the weak lensing signal is recovered from the measurement of the shapes of galaxies. The images obtained by any optical instrument are altered by its Point Spread Function (PSF), caused by various effects: diffraction, imperfect optics, atmospheric turbulence (for ground-based telescopes)… Since the PSF also alters galaxy shapes, it is crucial to correct for it when performing weak lensing measurements. This, in turn, requires precise knowledge of the PSF itself.The PSF varies depending on the position of objects within the instrument’s focal plane. Unresolved stars in the field provide a measurement of the PSF at given positions, from which a PSF model can be built. In the case of Euclid, star images will suffer from undersampling. The PSF model will thus need to perform a super-resolution step. In addition, because of the very wide band of its visible instrument, variations of the PSF with the wavelength of incoming light will also need to be accounted for.The main contribution of this thesis is the building of novel PSF modelling approaches. These rely on sparsity and numerical optimal transport. The latter enables us to propose the first method capable of building a polychromatic PSF model, using no information other than undersampled star images, their position and spectra. We also study the propagation of errors in the PSF to the measurement of galaxy shapes.

Les galaxies amplifiées par lentillage gravitationnel fort offrent une opportunité exceptionnelle pour caractériser la formation stellaire intense au sein des galaxies poussiéreuses les plus distantes. Dans les cas les plus favorables, il est possible d'étudier les mécanismes qui régissent la formation stellaire jusqu'aux échelles des régions de formation d'étoiles individuelles. Les alignements fortuits entre ces galaxies actives et des structures d'avant-plan produisant des facteurs d'amplification par lentillage gravitationnel >> 10 restent néanmoins très rares. L'échantillon des Planck's Dusty GEMS (Gravitationally Enhanced subMillimeter Sources), découvert par le relevé de ciel complet du satellite Planck dans le domaine sub-millimétrique, contient onze galaxies à haut décalage spectral extrêmement brillantes. Leurs densités de flux à 350 microns se situent entre 300 et 1000 mJy, au-delà de la plupart des sources lentillées précédemment découvertes par les relevés en infrarouge lointain et sub-millimétrique. Six d'entre elles dépassent la limite en complétude à 90% du catalogue de sources ponctuelles détectées par Planck (PCCS), indiquant qu'elles sont parmi les plus brillantes sources lointaines sélectionnées par leur formation stellaire intense. Cette thèse s'intègre dans le suivi multi-longueur d'onde de cet échantillon exceptionnel, destiné à sonder les propriétés globales des sources d'arrière-plan et à contraindre les configurations de lentillage. Premièrement, j'utilise de l'imagerie et de la spectroscopie en visible et en infrarouge proche et moyen pour caractériser les structures formant la lentille et pour construire des modèles de lentillage gravitationnel complets. J'en déduis que les onze GEMS sont effectivement alignées avec des surdensités de matière en avant-plan, soit des galaxies massives et isolées, soit des groupes ou amas de galaxies. Ces objets amplifiants contiennent des populations d'étoiles évoluées et âgées de plusieurs milliards d'années, indiquant qu'il s'agit de galaxies précoces. De plus, la modélisation détaillée de l'effet de lentillage vers les GEMS suggère que les amplifications atteignent systématiquement des facteurs > 10, et > 20 pour certaines lignes de visée. Deuxièmement, nous observons dans les domaines infrarouge lointain et millimétrique pour caractériser les sources d'arrière-plan. Les données en interférométrie de l'IRAM et du SMA à des résolutions inférieures à la seconde d'arc montrent que les GEMS ont des morphologies très déformées, preuve de fortes distorsions gravitationnelles. J'obtiens des températures de poussières de 33 à 50 K et des luminosités atteignant 2x10^14 luminosités solaires en infrarouge lointain, sans corriger du facteur d'amplification. La relation entre températures de poussières et luminosités infrarouge confirme également que, pour une température donnée, les GEMS sont plus brillantes que les galaxies similaires non lentillées. Je conclus qu'à ces longueurs d'onde, le chauffage des poussières semble être dominé par l'activité de formation stellaire avec une contamination par d'éventuels noyaux actifs systématiquement inférieure à 30%. Nous trouvons des décalages vers le rouge compris entre 2.2 et 3.6 grâce à la détection d'au moins deux raies d'émission du gaz atomique ou moléculaire par source. Finalement, je cible les trois sources lentillées de l'échantillon ayant les propriétés les plus remarquables. En particulier, la plus brillante d'entre elles s'avère être un sursaut présentant des densités de formation stellaire proches de la limite d'Eddington, et permet de sonder la naissance des étoiles dans ses phases les plus extrêmes. / Strongly gravitationally lensed galaxies offer an outstanding opportunity to characterize the most intensely star-forming galaxies in the high-redshift universe. In the most extreme cases, one can probe the mechanisms that underlie the intense star formation on the scales of individual star-forming regions. This requires very fortuitous gravitational lensing configurations offering magnification factors >> 10, which are particularly rare toward the high-redshift dusty star-forming galaxies. The Planck's Dusty GEMS (Gravitationally Enhanced subMillimeter Sources) sample contains eleven of the brightest high-redshift galaxies discovered with the Planck sub-millimeter all-sky survey, with flux densities between 300 and 1000 mJy at 350 microns, factors of a few brighter than the majority of lensed sources previously discovered with other surveys. Six of them are above the 90% completeness limit of the Planck Catalog of Compact Sources (PCCS), suggesting that they are among the brightest high-redshift sources on the sky selected by their active star formation. This thesis comes within the framework of the extensive multi-wavelength follow-up programme designed to determine the overall properties of the high-redshift sources and to probe the lensing configurations. Firstly, to characterize the intervening lensing structures and calculate lensing models, I use optical and near/mid-infrared imaging and spectroscopy. I deduce that our eleven GEMS are aligned with intervening matter overdensities at intermediate redshift, either massive isolated galaxies or galaxy groups and clusters. The foreground sources exhibit evolved stellar populations of a few giga years, characteristic of early-type galaxies. Moreover, the first detailed models of the light deflection toward the GEMS suggest magnification factors systematically > 10, and > 20 for some lines-of-sight. Secondly, we observe the GEMS in the far-infrared and sub-millimeter domains in order to characterize the background sources. The sub-arcsec resolution IRAM and SMA interferometry shows distorded morphologies which definitively confirm that the eleven sources are strongly lensed. I obtain dust temperatures between 33 and 50 K, and outstanding far-infrared luminosities of up to 2x10^14 solar luminosities before correcting for the gravitational magnification. The relationship between dust temperatures and far-infrared luminosities also confirms that the GEMS are brighter than field galaxies at a given dust temperature. I conclude that dust heating seems to be strongly dominated by the star formation activity with an AGN contamination systematically below 30%. We find secure spectroscopic redshifts between 2.2 and 3.6 for the eleven targets thanks to the detection of at least two CO emission lines per source. Finally, I focus on the three gravitationally lensed sources showing the most remarkable properties including the brightest GEMS, a maximal starburst with star formation surface densities near the Eddington limit.

La découverte d'une population de galaxies submillimétrique (SMG) obscurcies par la poussière à grand décalage spectral, à l'aide de caméras submm, a révolutionné notre connaissance de l'évolution des galaxies et de la formation stellaire dans les conditions physiques extrêmes. Elles sont les flambées de formation stellaire les plus intenses dans l'Univers, approchant la limite d'Eddington et sont considérées comme les progéniteurs des galaxies actuelles les plus massives. Les modèles théoriques d'évolution de galaxies ont été remis en question par la découverte d'un grand nombre de SMGs à grand décalage spectral. Quelques unes sont fortement lentillées gravitationnelement par une galaxie. Les grands relevés extragalactiges récemment effectués en ont découvert plusieurs centaines, ouvrant de nouvelles opportunités pour observer le milieu interstellaire dans ces objets exceptionnels.Nous avons donc sélectionné un échantillon de SMG fortement lentillées à l'aide des densités de flux submm du relevé Herschel-ATLAS. À l'aide des télescopes de l'IRAM, nous avons construit un échantillon de 16 SMG détectés par la raie de l'eau. Nous avons trouvé une corrélation linéaire forte entre les luminosité d'H2O et infrarouge totale. Cela indique le rôle important du pompage IR lointain dans l'excitation des raies de l'eau. En utilisant un modèle de pompage IR lointain, nous avons obtenus les propriétés physiques du gaz et de la poussière. Nous avons montré que l'eau trace un gaz chaud et dense qui peut être étroitement lié à la formation des étoiles. Plusieurs raies d'H2O+ ont également été détectées dans trois SMG, montrant une corrélation étroite entre les luminosités des raies de H₂ O/H₂ O+ des ULIRG locales aux SMG. Le rapport de flux H2O+/H2O suggère que les rayons cosmiques provenant des activités fortes de formation stellaire sont probablement à l'origine de la chimie de l'oxygène.Nous avons observé de multiples transitions de CO dans chacune de nos SMG. Nous avons mis en évidence un effet significatif de lentillage différentiel qui peut entraîner une sous-estimation de la largeur de raie d'un facteur ~2. A l'aide d'une modélisation de type LVG et en utilisant une approche bayésienne, nous avons estimé la densité et la température du gaz, ainsi que sa densité de colonne. Nous avons ensuite mis en évidence une corrélation entre la pression thermique du gaz et l'efficacité de la formation stellaire. Nous avons également étudié les propriétés globales du gaz moléculaire et sa relation avec la formation d'étoiles ainsi que le rapport masse de gaz sur poussière et le temps d'épuisement du gaz. La détections de raies de carbone atomique dans ces SMG a étendu la corrélation linéaire locale entre luminosité des raies de CO/CI. Enfin, nous avons comparé les largeurs de raie de CO/H₂ O et constaté qu'elles étaient en bon accord. Cela suggère que les régions émettrices soient co-spatiale.Afin de comprendre les propriétés des émissions moléculaires dans ces sources, et plus généralement, leur structure et leur propriétés dynamiques, il est crucial d'acquérir des images à haute résolution angulaire. Nous avons donc observé deux sources avec ALMA/NOEMA en configuration étendue. Ces données nous permettent de reconstituer la morphologie intrinsèque de la source. Les émissions de poussière froide ont une plus petite taille en comparaison avec le gaz CO/H2 O, tandis que les deux derniers sont de taille similaire. En ajustant le modèle dynamique aux données CO, nous avons montré que ces galaxies peuvent être modélisée avec un disque en rotation, duquel nous avons pu déduire leurs masses dynamiques projetées et leurs rayons effectifs.Avec le futur NOEMA/ALMA, nous pourrons étendre ce genre d'observations à un plus grand nombre de SMG fortement amplifiées et même à des SMG non lentillées, afin d'étudier divers traceurs du gaz moléculaire et de comprendre les conditions physiques du milieux interstellaire et leur relation avec la formation des étoiles. / The discovery of a population of high-redshift dust-obscured submillimeter galaxies (SMGs) from ground-based submm cameras has revolutionised our understanding of galaxy evolution and star formation in extreme conditions. They are the strongest starbursts in the Universe approaching the Eddington limit and are believed to be the progenitors of the most massive galaxies today. However, theoretical models of galaxy evolution have even been challenged by a large number of detections of high-redshift high-redshift SMGs. A very few among them are gravitationally lensed by an intervening galaxy. Recent wide-area extragalactic surveys have discovered hundreds of such strongly lensed SMGs, opening new exciting opportunities for observing the interstellar medium in these exceptional objects.We have thus carefully selected a sample of strongly gravitational lensed SMGs based on the submm flux limit from the Herschel-ATLAS sample. Using IRAM telescopes, we have built a rich H₂ O-line-detected sample of 16 SMGs. We found a close-to-linear tight correlation between the H2O line and total infrared luminosity. This indicates the importance of far-IR pumping to the excitation of the H2O lines. Using a far-IR pumping model, we have derived the physical properties of the H2O gas and the dust. We showed that H2O lines trace a warm dense gas that may be closely related to the active star formation. Along with the H2O lines, several H2O+ lines have also been detected in three of our SMGs. We also find a tight correlation between the luminosity of the lines of H2O and H2O+ from local ULIRGs to high-redshift SMGs. The flux ratio between H2O+ and H2O suggests that cosmic rays from strong star forming activities are possibly driving the related oxygen chemistry.Another important common molecular gas tracer is the CO line. We have observed multiple transitions of the CO lines in each of our SMGs with IRAM30m telescope. By analysing the CO line profile, we discovered a significant differential lensing effect that might cause underestimation of the linewidth by a factor of ~2. Using LVG modelling and fitting the multi-J CO fluxes via a Bayesian approach, we derived gas densities and temperature, and CO column density per unit velocity gradient. We then found a correlation between the gas thermal pressure and the star formation efficiency. We have also studied the global properties of the molecular gas and its relationship with star formation. We have derived the gas to dust mass ratio and the gas depletion time, they show no difference compared with other SMGs. With the detections of atomic carbon lines in our SMGs, we extended the local linear correlation between the CO and CI line luminosity. Finally, we compared the linewidths of the CO and H2O emission line, which agree very well with each other. This suggests that the emitting regions of these two molecules are likely to be co-spatially located.In order to understand the properties of molecular emission in high-redshift SMGs, and more generally, the structure and the dynamical properties of these galaxies, it is crucial to acquire high-resolution images. We thus observed two of our brightest source with ALMA and NOEMA interferometers using their high spatial resolution configuration. These images have allowed us to reconstruct the intrinsic morphology of the sources. We compared the CO, H2O and dust emission. The cold dust emission has a smaller size compared with the CO and H2O gas, while the latter two are similar in size. By fitting the dynamical model to the CO data of the source, we have shown that the source can be modelled with a rotating disk. We derived the projected dynamical mass and the effective radius of those sources.With the future NOEMA and ALMA, we will be able to extend such kind of observations to a larger sample lensed SMGs and even to unlensed SMGs, to study various gas tracers, and to understand the physical conditions of the ISM and their relation to the star formation.

No description available.

No description available.

No description available.

No description available.

No description available.