Depuis une quinzaine d'années, de nombreuses galaxies sont détectées grâce à leur raie d'émission Lyman-alpha à des décalages spectraux supérieurs à 3. Ces objets, dits Émetteurs Lyman-alpha, nous permettent ainsi de sonder les galaxies dans l'Univers lointain, alors âgé de moins de deux milliards d'années. Bien qu'un grand nombre d'Émetteurs Lyman-alpha ait été détecté jusqu'à présent, leurs propriétés statistiques et physiques sont encore mal contraintes. En effet, les observations sont difficiles à interpréter du fait des effets de transfert résonnant des photons Lyman-alpha dans le milieu interstellaire et de la cinématique du gaz. En plus des observations, des efforts théoriques sont donc nécessaires pour mieux comprendre les caractéristiques physiques de ces objets, leur rôle dans le scénario de formation hiérarchique des galaxies, et leur lien avec l'autre grande populations de galaxies lointaines, les galaxies à discontinuité de Lyman. Cette thèse a pour but de proposer une modélisation originale de cette population d'Émetteurs Lyman-alpha dans le contexte cosmologique. La formation et l'évolution hiérarchique des galaxies est décrite grâce au modèle hybride GALICS, associant une simulation à N corps de matière noire, à des prescriptions semi-analytiques pour modéliser la physique des galaxies. GALICS prédit les propriétés physiques d'un large échantillon de galaxies entre z~3 et 7. Les propriétés de la raie Lyman-alpha sont obtenues grâce au couplage de GALICS avec une librairie de modèles numériques, réalisés avec le code MCLya. Avec cette approche, la fraction d'évasion des photons Lyman-alpha et le profil de la raie émergent des galaxies peuvent ainsi être prédits, en prenant en compte les effets de transfert résonnant des photons Lyman-alpha et la cinématique du milieu. Le modèle prévoit une forte dispersion de la fraction d'évasion des photons Lyman-alpha fesc en fonction de leur taux de formation stellaire. Les galaxies peu massives, formant peu d'étoiles ont une fraction d'évasion Lyman-alpha de l'ordre de l'unité. En revanche, fesc est distribué entre 0 et 1 pour les objets plus massifs, formant intensément des étoiles, selon les propriétés physiques des galaxies. Les résultats du modèle donnent un accord satisfaisant avec la plupart des observations, en particulier les fonctions de luminosité Lyman-alpha et UV entre z~3 et 7. Le modèle parvient à reproduire conjointement les propriétés UV des galaxies sélectionnées en UV (galaxies à discontinuité de Lyman) et celles des Émetteurs Lyman-alpha. Nous trouvons que les Émetteurs Lyman-alpha sont des galaxies de masse modérée présentant des profils de raie asymétriques, en bon accord avec les données observationnelles. Le modèle prévoit notamment une forte abondance de galaxies de faible luminosité Lyman-alpha. Ces objets peu lumineux seront une des cibles privilégiées du spectrographe intégral de champ MUSE, qui sera prochainement installé au VLT. Dans le but d'aider à la préparation des futurs relevés que MUSE effectuera, des champs fictifs d'Émetteurs Lyman-alpha ont été construits grâce au modèle pour fournir des prédictions, notamment en terme de comptages et de variance cosmique. / Many galaxies have been detected at high redshift since the late nineties thanks to their strong Lyman-alpha emission line. These objects, knows as Lyman-alpha Emitters, allow us to probe galaxies in the first two Gigayears of the Universe. Although a large amount of detections, their statistical and physical properties are still poorly constrained. Indeed, observations are difficult to interpret, mainly due to line transfer effects in the interstellar mediaum and gas kinematics. In addition to observations, theoretical efforts are needed to reach a better understanding of the properties of these objects, their role in the scenario of hierarchical formation of galaxies, and their link with the other main high redshift galaxy population, the so-called Lyman Break galaxies. In this thesis, we model Lyman-alpha Emitters in the cosmological context with an original method. The hierarchical galaxy formation process is described with the GALICS model, which couples a N body simulation of Dark Matter, with semi-analytic prescriptions to model galaxy physics. GALICS can predict the physical properties of a large sample of mock galaxies between z~3 and 7. Lyman-alpha properties are computed thanks to the coupling of GALICS with a library of numerical tranfser models, generated with the MCLya code. With this approach, Lyman-alpha photons escape fractions and line profiles can be predicted, taking into account resonnant scattering effects and gas kinematics. We find a strong dispersion of the escape fraction with respect to the star formation rate of the galaxies. The model predictions are in good agreement with most of the observationnal data, especially the Lyman-alpha luminosity functions between z~3 and 7. The model is able to reproduce UV properties of UV and Lyman-alpha selected galaxies. We find that Lyman-alpha Emitters have moderate mass on average and display asymetric line profiles, as it is shown by the observations. In particular, we predict a strong abundance of faint Lyman-alpha Emitters. These objects will be a main target of the forthcoming MUSE instrument that will be installed at VLT. In order to help preparing future surveys with MUSE, mock fields of Lyman-alpha Emitters have been created with our model to make predictions, especially in terms of number counts and cosmic variance.

Les abondances atmosphériques du dioxyde de carbone et du méthane augmentent progressivement, modifiant probablement le climat global de l'atmosphère. Bien que ces effets soient très étudiés dans la troposphère, ils le sont peu dans l'atmosphère moyenne (20 - 120 km) où ils pourraient avoir un impact plus facilement détectable. Nous nous intéressons en particulier à la mésosphère/basse thermosphère (MLT), où apparaissent de plus en plus souvent des nuages mésosphériques polaires (PMC). La MLT est sensible au niveau d'activité solaire, qui varie selon un cycle de onze ans. Nous évaluons les impacts de ces deux changements anthropiques et de ce cycle naturel sur la température et la chimie de la MLT. Pour ce faire, nous participons au développement d'un modèle bidimensionnel de l'atmosphère : SOCRATES. Ce modèle calcule interactivement les moyennes zonales des vents, de la température et de la composition chimique de l'atmosphère en fonction de la latitude (85°S-85°N) et de l'altitude (0-120 km). Avant de nous intéresser au changement global, nous avons dû améliorer SOCRATES pour qu'il reproduise au mieux la situation chimique, dynamique et thermique actuellement observée. Nous avons ainsi modifié la résolution du système chimique; développé une nouvelle paramétrisation de l'absorption par O2 du rayonnement solaire ultraviolet à Lyman- (121.6 nm) [Chabrillat et Kockarts, 1997] ; créé une approximation des sources thermosphériques de NO; paramétrisé le forçage dynamique par déferlement des ondes de gravité pour reproduire de manière très réaliste les observations actuelles de température dans la MLT ; et développé un algorithme pour prendre en compte non seulement la diffusion turbulente mais aussi la diffusion moléculaire. Tous ces développements sont décrits en détail, et leurs effets sur la physico-chimie de la. MLT sont analysés. Les concentrations chimiques calculées par le modèle sont comparées avec succès à des observations - en particulier de l'ozone et du radical hydroxyle. Nous étudions ensuite en détail l'impact du cycle solaire de onze ans sur la MLT. Une analyse complète du budget thermique nous permet d'établir, par exemple, que la raie Lyman- est responsable de la moitié du réchauffement entre SOLMIN et SOLMAX. Nous évaluons alors la sensibilité de la MLT à un doublement (théorique) de l'abondance de C02. Nous trouvons qu'aux hautes latitudes et en été, zone d'apparition des PMC, cet effet est très faible. Puis nous réalisons une simulation où le méthane est ramené à son niveau préindustriel. L'accroissement de CH4 depuis cette époque est responsable, non seulement de l'augmentation de la vapeur d'eau dans l'atmosphère moyenne, mais aussi d'un léger refroidissement dans la MLT. Cet effet est maximal dans les régions polaires et en été, là où les deux autres sont minimaux. Nous concluons par une grande simulation intégrée de l'évolution du climat et de la chimie de l'atmosphère moyenne au cours du XXIe siècle. Nous trouvons qu'au niveau d'apparition des PMC, la tendance au refroidissement est plus faible que partout ailleurs. Par contre, la vapeur d'eau augmente plus rapidement en été qu'en hiver. Ces calculs fournissent des indices pour réconcilier les observations plus fréquentes des PMC avec une synthèse des températures mesurées dans l'été arctique, selon laquelle les températures n'auraient pas varié depuis quarante ans.

In this thesis we investigate the large-scale distribution of Ly alpha forest absorption, the effect of ionizing radiation from QSOs on their surrounding intergalactic medium and the primordial abundance of deuterium. We develop a new technique for detecting structure on Mpc scales in the Ly alpha forest. This technique does not rely on identifying individual absorption lines but is rather based on the statistics of the transmitted flux. We demonstrate that the new method is significantly more sensitive to the presence of large-scale structure in the Ly alpha forest than a two-point correlation function analysis. We apply this method to 2 A resolution spectra of ten QSOs which cover the redshift range 2.2 < z < 3.4. The QSOs form a closely spaced group on the sky and are concentrated within a 1-deg^2 field. We find evidence for large-scale structure in the distribution of Ly alpha forest absorption at the > 99 per cent confidence level. Along the line of sight we find overdense Ly alpha absorption on scales of up to 1200 km s^-1. There is also strong evidence for correlated absorption across line of sight pairs separated by < 3 h^-1 Mpc. For larger separations the cross-correlation signal becomes progressively less significant. Using the same technique and dataset we confirm the existence of the proximity effect. We derive a value for the mean intensity of the extragalactic background radiation at the Lyman limit of J = (3.6^+3.5_-1.3) x 10^-22 ergs s^-1 cm^-2 Hz^-1 sr^-1. This value assumes that QSO redshifts measured from high ionization lines differ from the true systemic redshifts by Delta v = 800 km s^-1. Allowing for known QSO variability we find evidence at a level of 2.1 sigma that the significance of the proximity effect is correlated with QSO Lyman limit luminosity. From the complete sample we find no evidence for the existence of a foreground proximity effect, implying either that J > 20 x 10^-22 ergs s^-1 cm^-2 Hz^-1 sr^-1 or that QSOs emit at least a factor of 1.4 less ionizing radiation in the plane of the sky than along the line of sight to Earth. We do, however, find one counter-example where a foreground QSO apparently depletes the absorbing gas in four surrounding lines of sight. We discuss the feasibility of pre-selecting absorption systems from low resolution data for a measurement of the primordial deuterium abundance. We present a new, low resolution spectroscopic survey of 101 high redshift QSOs aimed at identifying candidate D/H systems. We further present an echelle spectrum of a Lyman limit system at z = 2.917. We find that this system is most likely heavily contaminated and does not yield an interesting limit on D/H.

Due to the finite speed of light and a vast, expanding universe, telescopes are just now receiving the light emitted by galaxies as they were forming in the very early universe. The light from these galaxies has been redshifted (stretched to longer, redder wavelengths) as a result of its journey through expanding space. Using sophisticated techniques and exceptional multi-wavelength optical and infrared data, we isolate a population of 378 galaxies in the process of formation when the Universe was only two billion years old. By matching the distinctive properties of the light spectra of these galaxies to models, the redshift, age, dust content, star formation rate and total stellar mass of each galaxy are determined. Comparing our results to similar surveys of galaxy populations at other redshifts, a picture emerges of the growth and evolution of massive, star-forming galaxies over the course of billions of years.

Due to the finite speed of light and a vast, expanding universe, telescopes are just now receiving the light emitted by galaxies as they were forming in the very early universe. The light from these galaxies has been redshifted (stretched to longer, redder wavelengths) as a result of its journey through expanding space. Using sophisticated techniques and exceptional multi-wavelength optical and infrared data, we isolate a population of 378 galaxies in the process of formation when the Universe was only two billion years old. By matching the distinctive properties of the light spectra of these galaxies to models, the redshift, age, dust content, star formation rate and total stellar mass of each galaxy are determined. Comparing our results to similar surveys of galaxy populations at other redshifts, a picture emerges of the growth and evolution of massive, star-forming galaxies over the course of billions of years.

Depuis une quinzaine d'années, de nombreuses galaxies sont détectées grâce à leur raie d'émission Lyman-alpha à des décalages spectraux supérieurs à 3. Ces objets, dits Émetteurs Lyman-alpha, nous permettent ainsi de sonder les galaxies dans l'Univers lointain, alors âgé de moins de deux milliards d'années. Bien qu'un grand nombre d'Émetteurs Lyman-alpha ait été détecté jusqu'à présent, leurs propriétés statistiques et physiques sont encore mal contraintes. En effet, les observations sont difficiles à interpréter du fait des effets de transfert résonnant des photons Lyman-alpha dans le milieu interstellaire et de la cinématique du gaz. En plus des observations, des efforts théoriques sont donc nécessaires pour mieux comprendre les caractéristiques physiques de ces objets, leur rôle dans le scénario de formation hiérarchique des galaxies, et leur lien avec l'autre grande populations de galaxies lointaines, les galaxies à discontinuité de Lyman. Cette thèse a pour but de proposer une modélisation originale de cette population d'Émetteurs Lyman-alpha dans le contexte cosmologique. La formation et l'évolution hiérarchique des galaxies est décrite grâce au modèle hybride GALICS, associant une simulation à N corps de matière noire, à des prescriptions semi-analytiques pour modéliser la physique des galaxies. GALICS prédit les propriétés physiques d'un large échantillon de galaxies entre z~3 et 7. Les propriétés de la raie Lyman-alpha sont obtenues grâce au couplage de GALICS avec une librairie de modèles numériques, réalisés avec le code MCLya. Avec cette approche, la fraction d'évasion des photons Lyman-alpha et le profil de la raie émergent des galaxies peuvent ainsi être prédits, en prenant en compte les effets de transfert résonnant des photons Lyman-alpha et la cinématique du milieu. Le modèle prévoit une forte dispersion de la fraction d'évasion des photons Lyman-alpha fesc en fonction de leur taux de formation stellaire. Les galaxies peu massives, formant peu d'étoiles ont une fraction d'évasion Lyman-alpha de l'ordre de l'unité. En revanche, fesc est distribué entre 0 et 1 pour les objets plus massifs, formant intensément des étoiles, selon les propriétés physiques des galaxies. Les résultats du modèle donnent un accord satisfaisant avec la plupart des observations, en particulier les fonctions de luminosité Lyman-alpha et UV entre z~3 et 7. Le modèle parvient à reproduire conjointement les propriétés UV des galaxies sélectionnées en UV (galaxies à discontinuité de Lyman) et celles des Émetteurs Lyman-alpha. Nous trouvons que les Émetteurs Lyman-alpha sont des galaxies de masse modérée présentant des profils de raie asymétriques, en bon accord avec les données observationnelles. Le modèle prévoit notamment une forte abondance de galaxies de faible luminosité Lyman-alpha. Ces objets peu lumineux seront une des cibles privilégiées du spectrographe intégral de champ MUSE, qui sera prochainement installé au VLT. Dans le but d'aider à la préparation des futurs relevés que MUSE effectuera, des champs fictifs d'Émetteurs Lyman-alpha ont été construits grâce au modèle pour fournir des prédictions, notamment en terme de comptages et de variance cosmique.

This paper treats a non-intrusive method of measuring electric fields in plasmas and other sensitive or hostile environments. The method is based on the use of an atomic hydrogen beam prepared in the metastable fine structure quantum state 2s1/2. Interaction with the field that is to be measured causes Stark mixing with the closely lying 2p1/2, whose spontaneous decay rate is much higher than that of 2s1/2. As a result, the total transition rate to the ground state and consequently the intensity of the Lyman-α line (121.6nm) is increased. Observations of emitted radiation from a region in which the interaction takes place are used to draw conclusions about the electric field, effectively providing a way to measure it. In the first section, the theory behind the method is described, using time dependent perturbation theory and taking into account both Lamb shift and hyperfine structure. A description of the set-up that we have used to test the theoretical predictions follows and practical aspects related to the operation of the experiment are briefly addressed. Measurements of the dependence of the Lyman-α intensity on both electric field frequency and amplitude are presented and shown to be in agreement with theory. These measurements have been performed in vacuum and in an argon plasma, both for static and RF fields. Two mechanisms, labeled oscillatory and geometrical saturation, that decrease the emitted intensity for strong fields are identified and described, and both are of importance for the future implementation of the studied diagnostic in a fusion device or other plasma experiment. Studies of the field profiles between a pair of electrically polarized plates have been carried out and algorithms for relating measured data to actual values of electric field strength have been developed. For static fields in vacuum, collected data is compensated for geometrical saturation and the resulting profiles are compared to those calculated with a finite element method. Good correspondence is seen in many cases, and where it is not, the discrepancies are explained. Static profile measurements in a plasma show the formation of a sheath whose thickness has been studied while varying discharge current, pressure and plasma frequency. The qualitative dependence of the sheath thickness on these parameters is in accordance with well established theory. When it comes to RF fields, a possible standing wave pattern is detected in the plasma despite problems with low signal to noise ratio. In order to optimize the working conditions of the set-up, effects of charge accumulation due to ions present in the hydrogen beam have been studied as well as errors due to residual particle fluxes during the off-phase when pulsing the beam. A conceptual design suggestion for implementing the method in the edge plasma of a tokamak or another similar device, based on the collected information, is also given.

Supernovae are cosmic explosions of cataclysmic proportion that signify the death of a star. While being interesting phenomena in their own right, their brightness also make them excellent probes of the early universe. Depending on the type of the progenitor star and the origin of the explosion different subjects can be investigated. In this dissertation the work I have done on the detection, characterisation and rate measurements of supernovae in the Stockholm VIMOS Supernova Search is presented. We have discovered 16 supernovae that exploded billions of years ago (or, equivalently, at high redshift, z). The observed brightness and colour evolution have been used to classify the supernovae into either thermonuclear (type Ia) or core collapse (type II) supernovae. The accuracy of the classification code is high, only about 5% of the supernovae are mistyped, similar to other codes of the same kind. By comparing the observed frequency of supernovae to simulations the underlying supernova rate at these high redshifts have been measured. The main result reported in this thesis is that the core collapse supernova rate at high redshift matches the rates estimated from looking at the star formation history of the universe, and agree well with previous studies. The rate of Ia supernovae at high redshift have been investigated by several projects, our results show a somewhat higher rate of Ia supernovae than expected. Proper estimates of the systematic errors of rate measurements are found to be very important. Furthermore, by using novel techniques for reducing and stacking images, we have obtained a galaxy sample containing approximately 50,000 galaxies. Photometric redshifts have been obtained for most of the galaxies, the resulting accuracy below z=1 is on the order of 10%. The galaxy sample has also been used to find high redshift sources, so called Lyman Break Galaxies, at z=3-5. / At the time of the doctoral defense, the following papers were unpublished and had a status as follows: Paper 2: Submitted. Paper 3: Manuscript. Paper 4: Manuscript.

Due to the finite speed of light and a vast, expanding universe, telescopes are just now receiving the light emitted by galaxies as they were forming in the very early universe. The light from these galaxies has been redshifted (stretched to longer, redder wavelengths) as a result of its journey through expanding space. Using sophisticated techniques and exceptional multi-wavelength optical and infrared data, we isolate a population of 378 galaxies in the process of formation when the Universe was only two billion years old. By matching the distinctive properties of the light spectra of these galaxies to models, the redshift, age, dust content, star formation rate and total stellar mass of each galaxy are determined. Comparing our results to similar surveys of galaxy populations at other redshifts, a picture emerges of the growth and evolution of massive, star-forming galaxies over the course of billions of years.

Thesis (M.A.)--B.Y.U. Dept. of Church History and Doctrine.