Depuis la première détection d’une planète extrasolaire autour d’une étoile de type solaire par Mayor et Queloz (1995), plus de 3000 planètes ont été découvertes. La découverte de planètes de type terrestre et la recherche de biomarqueurs dans leur atmosphère sont parmi les principaux objectifs de l'astronomie du XXIeme siècle. Nous nous tournons vers la découverte et la caractérisation des planètes situées dans la zone habitable de leur étoile hôte.La méthode des vitesses radiales (VRs) consiste à mesurer le mouvement réflexe de l'étoile induit par des planètes en orbite. D'autre part, grâce à la photométrie, on peut mesurer la diminution de flux reçu lors du passage d'une planète entre l'étoile ciblée et notre télescope : Il s'agit alors d'un transit. Ces techniques sont complémentaires pour mieux comprendre les systèmes extrasolaires. Cependant, pour atteindre les précisions nécessaires à la détection de Terres ou super-Terres, il est nécessaire de concevoir des instruments très stables, de comprendre les effets systématiques dus à l'atmosphère et tenter de les corriger.La recherche de planètes orbitant autour des étoiles de faibles masses permet d’atteindre dès aujourd'hui des planètes telluriques dans la zone habitable. En effet, en gardant tout autre paramètre égal, le mouvement réflexe (et donc l’amplitude de la variation VR) sera plus grand. De même, un transit sera plus profond si l’étoile centrale est une naine M que pour une étoile de type solaire. De plus, ces étoiles ont une plus faible luminosité que les étoiles de type solaire. Il en résulte que les planètes dans la zone habitable ont des périodes orbitales plus courtes (~50 jours pour les naines M contre ~360 jours pour des étoiles de type solaire).Cette thèse s'inscrit dans une démarche de détections et de caractérisations de planètes en zone habitable de naines M. Pour cela, j'ai observé des naines M avec le spectrographe HARPS, permettant la découverte ou la caractérisation de 24 planètes, qui pourront servir à constituer ou préciser les catalogues de suivi photométriques.En particulier, le projet ExTrA vise à utiliser la photométrie pour détecter des transits en utilisant une nouvelle méthode : la spectrophotométrie différentielle. Elle permet d'améliorer la qualité des courbes de lumière en s'affranchissant d'effets systématiques causés par l'atmosphère. J'introduis l'un d'eux : l'extinction atmosphérique de second ordre, aussi appelé "effet de couleur" et le simule pour la première fois en fonction de divers paramètres d'observations (des conditions atmosphériques aux étoiles ciblés).Je formalise ensuite la technique de spectrophotométrie et simule le gain apporté par la résolution spectrale sur la précision photométrique. Ces simulations prennent en compte les conditions atmosphériques les plus impactantes pour l'effet de couleur (la masse d'air, la quantité de vapeur d'eau) mais également le type d'étoile ciblé (température, gravité, activité) et la résolution spectrale (R<4000).Enfin, il n'existait pas de méthodes numériques spécifiques au projet ExTrA pour traiter les données de spectrophotométrie. Avec l'objectif de corriger les effets systématiques restants dans les courbes de lumière tout en ajustant d'éventuels transits, j'ai développé un nouvel algorithme et j'en expose les premiers résultats. / Since the first detection of an extrasolar planet orbiting a Sun-like star by Mayor and Queloz (1995), more than 3000 have been discovered. Discovering telluric planets and searching for biomarkers in their atmospheres are among the main objectives of the 21st century. Hence, our interest is focused on finding and characterising planets located in the habitable zone of their host star.On one hand, the method known as radial velocities (RV) consists in the measure of the star’s reflex motion induced by orbiting planets. On the other hand, thanks to photometry, we can measure the drop of flux when a planet transits in front of its host star. These techniques are complementary to better understand extrasolar systems. However, in order to reach the precisions necessary to detect an Earth-like planet or a super-Earth, we need very stable instruments as well as the understanding and removal of earth’s atmosphere systematic effects.Searching planets orbiting low mass stars, we already have access to telluric planets in the habitable zone. Indeed, everything else being equal, a lower mass of the host star implies a larger reflex motion, and thus a larger RV amplitude. A transit will be deeper if the central star is a M dwarf compared to a Sun-like star. Moreover, the lower luminosity of M dwarfs implies shorter orbital periods from planets in the habitable zone (~50 days against ~360 days, for M dwarfs compared to solar-type stars, respectively).In this context, this thesis aims to improve the detection and caracterisation of planets in the habitable zone of M dwarfs. I observed some of these stars with the HARPS spectro- graph, leading to the discovery or the caracterisation of 24 planets, which helps us building or precising catalogues of photometric follow-up.In particular, the ExTrA project uses photometry to detect transits using a brand new method : differential spectrophotometry. It improves the light curves quality eliminating sys- tematic effets caused by earth’s atmosphere. I present one these systematics, second order atmospheric extinction also know as color effect, and simulate it for the first time in function of observations parameters (from atmosphere conditions to target and comparison stars).Then, I formalise the technique of spectrophotometry and simulate the gain brought by the addition of spectral resolution to photometric precision. These simulations take in account the atmospheric conditions affecting the color effet (airmass, precipitate water vapor) but also the type of the stars (temperature, gravity, spots), and the spectral resolution (R<4000).Lastly, there were no numerical methods for the treatment of ExTrA’s data at the be- ginning of this work. I developped a new algorithm aiming to correct systematics using the spectral dimension while finding and fitting transits in light curves. I expose the first results obtained from simulations and photometric tests of ExTrA.

Titre de l'écran-titre (visionné le 26 juin 2023) / L'étude du cerveau est cruciale à la compréhension de son fonctionnement et pour l'avancement en médecine. Il existe une multitude de techniques pour visualiser ou mesurer l'activité du cerveau afin d'étudier ses mécanismes. Pour étudier une population spécifique de neurones, la photométrie par fibre optique est souvent préférée puisqu'elle permet de mesurer l'activité de seulement un groupe de neurones spécifiquement marqué par des indicateurs calciques au choix. La photométrie par fibre optique est une technique d'imagerie souvent utilisée chez les rongeurs (habituellement des souris) pour mesurer l'activité neuronale d'un groupe spécifique de neurones lors d'expérimentations in vivo en attachant une fibre optique directement à la région du cerveau à l'étude. Le désavantage de la photométrie par fibre optique conventionnelle est que la fibre optique qui est branchée directement à la tête de la souris doit être acheminée à l'extérieur de l'environnement de test, ce qui limite les déplacements de la souris et lui cause un certain stress. Ce travail propose une preuve de concept d'un système de photométrie par fibre optique sans fil ayant des performances à la hauteur des systèmes commerciaux existants avec fibre reliée à l'extérieur de l'environnement de test. Le design de cette preuve de concept repose sur la conception de circuits analogiques ainsi que le développement d'algorithmes de traitement de signal. Le système conçu dans ce travail offre une lecture de signal avec une référence au point isosbestique avec une puissance équivalent de bruit de 5.39fW/√ Hz, un niveau de bruit équivalent, ou même plus bas que les systèmes commerciaux disponibles. Ce système est sans fil, rechargeable et peut prendre des mesures pendant une durée de 210 minutes (3 heures et 30 minutes). Il contient aussi un lock-in amplifier numérique permettant de réduire le poids et la dimension du système tout en augmentant de 30dB le SNR du signal de photométrie. Les éléments du système de photométrie de ce travail ont été testés sur des souris in vivo lors d'une expérimentation sur l'activité neuronale de l'hypothalamus latéral (LHA) en réponse à un stimulus aversif. / The study of the brain is crucial to its understanding and the pursuit of medical research. There exists a multitude of techniques used to visualize or measure brain activity in order to study its working mechanisms. To study a specific group of neurons, the preferred method is fiber photometry because it allows to monitor a specific group of neurons that have been marked by a chosen calcium indicator. Fiber photometry is an imaging technique often used on rodents (usually mice) to monitor neural activity in a specific type of neuron while performing in vivo experimentation by directly implanting a probing optical fiber to the brain region under study. The drawback of conventional fiber photometry is that the optical fiber implanted in the subject's head needs to be connected outside the test environment, which limits its movements and creates unnecessary stress on the mouse. This work proposes a proof of concept of a wireless fiber photometry system with performance worthy of current existing cabled commercial systems. The design of this proof of concept rests on the conception of analog circuits and the development of signal processing algorithms. The system designed in this work offers a reading with an isosbestic point reference with a noise equivalent power of 5.39fW/√ Hz, a noise level equivalent, or even lower than available commercial products. This system is wireless, rechargeable and can make measurements for a period of 210 minutes (3 hours and 30 minutes). It also contains a digital lock-in amplifier, allowing to reduce the size and weight of the system while still gaining a 30dB increase in SNR in the photometry reading. The various elements of this system have been tested in live mice during in vivo testing of the neural activity of the lateral hypothalamus (LHA) in response to an aversive stimulus.

Résumé : L’Arctique est particulièrement sensible aux changements climatiques et a récemment subi des modifications majeures incluant une diminution dramatique de l’extension de la glace de mer. Notre capacité́ à modéliser et à potentiellement réduire les changements climatiques est limitée, en partie, par les incertitudes associées au forçage radiatif induit par les effets directs et indirects des aérosols, qui dépendent de notre compréhension des processus impliquant les nuages et les aérosols. La charge des aérosols est caractérisée par l’épaisseur optique des aérosols (AOD) qui est le paramètre radiatif extensif le plus important et l’indicateur régional du comportement des aérosols sans doute le plus décisif. Une de nos lacunes majeures dans la compréhension des aérosols arctiques est leur comportement durant l’hiver polaire. Cela est principalement dû au manque de mesures nocturnes d’AOD. Dans ce travail, on utilise des instruments (lidar et photomètre stellaire) installés en Arctique pour mesurer, respectivement, les profils verticaux des aérosols et une valeur intégrée dans la colonne (AOD) de ces profils. En outre, les données d’un lidar spatial (CALIOP) sont utilisées pour fournir un contexte pan-arctique et des statistiques saisonnières pour supporter les mesures au sol. Ces dernières ont été obtenues aux stations arctiques d’Eureka (80◦ N, 86◦ W) et de Ny Ålesund (79◦ N, 12◦ E) durant les hivers polaires de 2010-2011 et 2011-2012. L’importance physique des pe- tites variations d’amplitude de l’AOD est typique de l’hiver polaire en Arctique, mais suppose une vérification pour s’assurer que des artefacts ne contribuent pas à ces variations (par exemple un masque de nuage insuffisant). Une analyse des processus basée sur des événements (avec une résolution temporelle ≈ une minute) est essentielle pour s’assurer que les paramètres optiques et microphysiques extensifs (grossiers) et intensifs (par particules) sont cohérents et physiquement conformes. La synergie photomètre stellaire-lidar nous permet de caractériser plusieurs événements distincts au cours des périodes de mesures, en particulier : des aérosols, des cristaux de glace, des nuages fins et des nuages polaires stratosphériques (PSC). Dans l’ensemble, les modes fin (<1μm) et grossier (>1μm) de l’AOD obtenus par photométrie stellaire (τ[indice inférieur f] et τ[indice inférieur c]) sont cohérents avec leurs analogues produits à partir des profils intégrés du lidar. Cependant certaines inconsistances causées par des facteurs instrumentaux et environnementaux ont aussi été trouvées. La division de l’AOD du photomètre stellaire τ[indice inférieur f] et τ[indice inférieur c] a été davantage exploitée afin d’éliminer les épaisseurs optiques du mode grossier (le filtrage spectral de nuages) et, par la suite, de comparer τ[indice inférieur]f avec les AODs obtenues par le filtrage de nuages traditionnel (temporel). Alors que les filtrages temporel et spectral des nuages des cas étudiés au niveau des processus ont conduit à des résultats bons à modérés en termes de cohérence entre les données filtrées spectralement et temporellement (les épaisseurs optiques des photomètres stellaires et lidars étant toutes deux filtrées temporellement), les résultats saisonniers semblent être encore contaminés par les nuages. En imposant un accord en utilisant un second filtre, plus restrictif, avec un critère de ciel clair ("enveloppe minimale du nuage"), les valeurs saisonnières moyennes obtenues étaient de 0.08 à Eureka et 0.04 à Ny Ålesund durant l’hiver 2010-2011. En 2011-2012, ces valeurs étaient, respectivement, de 0.12 et 0.09. En revanche les valeurs d’épaisseur optique de CALIOP (estimées entre 0 et 8 km) ont légèrement diminué de 2010-2011 à 2011-2012 (0.04 vs. 0.03). // Abstract : The Arctic region is particularly sensitive to climate change and has recently undergone major alterations including a dramatic decrease of sea-ice extent. Our ability to model and potentially mitigate climate change is limited, in part, by the uncertainties associated with radiative forcing due to direct and indirect aerosol effects which in turn are dependent on our understanding of aerosol and cloud processes. Aerosol loading can be characterized by aerosol optical depth (AOD) which is the most important (extensive or bulk) aerosol radiative parameter and arguably the most important regional indicator of aerosol behavior. One of the most important shortcomings in our understanding of Arctic aerosols is their behavior during the Polar winter. A major reason for this is the lack of night-time AOD measurements. In this work we use lidar and starphotometry instruments in the Arctic to obtain vertically resolved aerosol profiles and column integrated representations of those profiles (AODs) respectively. In addition, data from a space-borne lidar (CALIOP) is used to provide a pan-Arctic context and seasonal statistics in support of ground based measurements. The latter were obtained at the Eureka (80 ◦ N, 86 ◦ W) and Ny Ålesund (79 ◦ N, 12 ◦ E) high Arctic stations during the Polar Winters of 2010-11 and 2011-12. The physical significance of the variation of the small-amplitude AODs that are typical of the Arctic Polar Winter, requires verification to ensure that artifactual contributions (such as incomplete cloud screening) do not contribute to these variations. A process-level event-based analysis (with a time resolution of ≈ minutes), is essential to ensure that extracted extensive (bulk) and intensive (per particle) optical and microphysical indicators are coherent and physically consistent. Using the starphotometry-lidar synergy we characterized several distinct events throughout the measurement period: these included aerosol, ice crystal, thin cloud and polar stratospheric cloud (PSC) events. In general fine (<1 μm ) and coarse (>1 μm )modeAODs from starphotometry ( τ[subscript f] and τ [subscript c] ) were coherent with their lidar analogues produced from integrated profiles : however several inconsistencies related to instrumental and environmental factors were also found. The division of starphotometer AODs into τ[subscript ]f and τ [subscript c] components was further exploited to eliminate coarse mode cloud optical depths (spectral cloud screening) and subsequently compare τ [subscript f] with cloud-screened AODs using a traditional (temporal based) approach. While temporal and spectral cloud screening case studies at process level resolutions yielded good to moderate results in terms of the coherence between spectrally and temporally cloud screened data (both temporally screened starphotometer and lidar optical depths), seasonal results apparently still contained cloud contaminated data. Forcing an agreement using a more restrictive, second-pass, clear sky criterion ("minimal cloud envelope") produced mean 2010-11 AOD seasonal values of 0.08 and 0.04 for Eureka and Ny Ålesund respectively. In 2011-12 these values were 0.12 and 0.09. Conversely, CALIOP AODs (0 to 8 km) for the high Arctic showed a slight decrease from 2010-2011 to 2011-2012 (0.04 vs 0.03).

Les anneaux planétaires représentent une fabuleuse opportunité d'étudier à portée de main une majorité de phénomènes ayant lieu dans les disques fins. Que ce soient les disques galactiques, les disques circumstellaires ou les disques d'accrétion, on retrouve à tous les redshifts et à toutes les échelles de l'Univers des disques.<br /><br />Depuis l'arrivée de l'orbiteur spatial Cassini autour de Saturne en juillet 2004, notre connaissance des disques planétaires s'est considérablement accrue et un long travail s'amorce pour comprendre tous les phénomènes qui y sont observés en temps réel. Ceci est dû aux observations effectuées par Cassini qui sont inédites et uniques en termes de résolution spatiale, sensibilité, variété des géométries d'illumination et suivi temporel.<br />Parmi ces phénomènes, deux tout à fait exceptionnels ont été choisis pour l'élaboration de la thèse que je vais vous présenter.<br /><br />Une première partie porte sur un anneau à l'activité dynamique particulièrement importante : l'anneau F. Cet anneau, depuis sa découverte en 1979 par la sonde interplanétaire Pioneer 11, a suscité les théories dynamiques les plus diverses pour expliquer sa structure multi-radiale complexe et sa structure azimutale variable. <br />J'ai montré que la structure multi-radiale de cet anneau pouvait être comprise par l'existence d'une spirale qui s'enroule autour d'une région centrale, brillante, excentrique et inclinée : le cœur. La durée de vie de cette spirale n'est pas la même que le cœur, suggérant que les processus qui créent la spirale sont périodiques. <br />De plus, la structure du cœur est stable à grande échelle sur près d'un an, mais est très instable sur une plus courte échelle spatiale et temporelle, ce qui s'explique par des interactions multiples avec le satellite Prométhée et des satellites éphémères. Grâce à la meilleure caractérisation de la géométrie du cœur, j'ai pu montrer que ces satellites éphémères croisent plusieurs fois par an l'orbite du cœur, ce qui pourrait expliquer la courte durée de vie de ces petits objets (~ 10 km) d'une part et leur rôle dans la création de la structure spiralée d'autre part.<br /><br />La seconde partie est consacrée à la photométrie des anneaux de Saturne et à une surbrillance particulière observée lorsque le Soleil et l'observateur sont alignés : l'effet d'opposition. Cette surbrillance a été observée dans les anneaux principaux pour la première fois en 1878 par Müller, et est demeurée jusqu'à présent profondément mystérieuse. L'utilisation de modèles préexistants couplant l'optique géométrique et l'optique quantique (grâce à la théorie de la rétro-diffusion cohérente qui a valu à Philip Anderson le Prix Nobel de Physique en 1977) a permis de comprendre une partie de l'effet d'opposition dans les anneaux de Saturne. J'ai pu toutefois démontrer que cinq hypothèses généralement admises sur le masquage des ombres et la rétro-diffusion cohérente sont inexactes, ce qui souligne les insuffisances des modèles actuels de l'effet d'opposition. <br />Enfin, grâce à la qualité et la diversité des observations de Cassini, j'ai pu obtenir des informations sur la nature et l'état de surface des particules des anneaux. Pour la première fois, à l'aide d'inversion des courbes de phase avec des modèles photométriques analytiques, l'albédo, l'anisotropie, la rugosité macroscopique, la taille effective des grains et des particules ont pu être déterminées et corrélées avec la profondeur optique des anneaux. Ces valeurs montrent d'une part que les anneaux de Saturne possèdent une gamme de comportements photométriques plus large que celle de tous les objets planétaires réunis. D'autre part, la perspective d'expliquer ces comportements photométrique via la dynamique semble être une issue incontournable. Des simulations photométriques et dynamiques futures devraient permettre d'aller dans ce sens.

Les interactions non linéaires entre modes de pulsation, induisant des modulations d'amplitude et de fréquence, sont difficiles à mettre en évidence avec les télescopes au sol en raison des temps caractéristiques en jeu, de l'ordre de la semaine, du mois, ou même de l'année. L'avènement des télescopes spatiaux comme KEPLER (opéré par la NASA) a considérablement changé la donne en apportant de nouvelles données pour ce domaine de recherche. Dans cette thèse, nous analysons les données photométriques obtenues avec KEPLER pour 24 étoiles compactes pulsantes, incluant 18 étoiles sous-naines de type B (sdB) et 6 naines blanches. Nous établissons que les modulations d'amplitude et de fréquence des modes d'oscillation sont un phénomène courant dans ces étoiles. Nous étudions en particulier deux étoiles : KIC 0862602, une naine blanche pulsante de type DB, et KIC 10139564, une étoile sdB variable à courtes périodes. KIC 0862602 et KIC 10139564 ont été observées sans interruption par KEPLER en cadence rapide pendant deux années pour la première et plus de trois ans pour la seconde. En analysant en détail ces données photométriques de très haute précision, nous mettons en évidence différents types de comportements affectant les composantes de triplets induits par la rotation stellaire. Les fréquences et amplitudes de ces modes montrent des variations soi périodiques soi irrégulières, ou demeurent constantes. Ces comportements peuvent être connectés à ceux prédits par les équations d'amplitude dans le cas de couplages non linéaires résonants entre modes, en particulier pour les temps caractéristiques des modulations. De plus, nous montrons que les modes en résonance constituant les triplets peuvent également interagir avec des modes extérieurs par le biais d'autres formes de résonances telle que la résonance à trois modes v 0 ~ v 1 + v 2 , une situation qui n'est pas prise en compte dans le cadre théorique existant. Ces études apportent pour la première fois une preuve claire de l'existence de mécanismes de couplages non linéaires entre modes d'oscillations dans les pulsateurs compacts. Cette découverte résonne comme un avertissement pour les projets visant à mesurer les taux de changement des périodes dus à l'évolution dans les étoiles compactes en général. Les modulations de fréquence d'origine non linéaire peuvent potentiellement empêcher toute mesure fiable de ces taux, à moins de corriger ces effets auparavant. Les modulations observées caractérisées dans cette thèse apportent un regard nouveau sur "l'astérosismologie non linéaire" et appellent à revisiter les méthodes d'analyse des courbes de lumière pour en extraire les modes d'amplitude et de fréquence variables. Dans un futur proche, nous anticipons davantage d'attention portée à ces phénomènes non inéaires dans différents types d'étoiles pulsantes observées depuis l'espace, ainsi qu'un regain d'intérêt pour la théorie non linéaire des oscillations stellaires en général. / Nonlinear mode interactions, inducing amplitude and frequency modulations, are difficult to observe from ground-based telescopes as these typical timescales of the modulations are of the order of weeks, months, or even years. The launch of space telescopes such as Kepler (operated by NASA) has tremendously changed the situation by providing new data for this research field. In this thesis, we analyze the Kepler photometric data observed for 24 compact pulsators, including 18 hot B subdwarf (sdB) stars and six white dwarf stars. We find that it is a common phenomenon that oscillation modes in these pulsating stars show amplitude and/or frequency variations. We focus in particular on two stars, KIC 08626021, a DB white dwarf, and KIC 10139564, a short period sdB star. KIC 08626021 and KIC 10139564 have been monitored by Kepler in short-cadence mode for nearly two years and more than three years without interruption, respectively. By analyzing in depth these high-quality photometric data, we find that the modes within triplets induced by rotation clearly reveal different types of behaviors : their frequency and amplitude may exhibit either periodic or irregular modulations, or remain constant. These various behaviors can be linked to those predicted within the amplitude equation formalism in the case of the nonlinear resonant mode coupling mechanism, particularly for the modulation timescales. Furthermore, we find that the triplet resonance modes can also interact with outside modes through other types of resonances such as the three-mode resonance v 0 ~ v 1 + v 2 , which is not considered within the current nonlinear theoretical frameworks. These findings constitute the first clear evidence of nonlinear resonant mode couplings occurring in compact pulsators. This should resonate as a warning to projects aiming at measuring the evolutionary change rate of pulsation periods in compact stars in general. Nonlinear modulations of the frequencies can potentially jeopardize any attempt to measure reliably such rates, unless they can be corrected beforehand. The observed modulations characterized in this thesis provide new insights to "nonlinear asteroseismology" and call for new methods to process the signals of variable modes from the observed light curves. We foresee that increasing attention will focus on these nonlinear phenomena in various types of pulsating stars observed from space in the near future, thus reviving interest in the nonlinear oscillation theory in general.

Les techniques de reconstruction 3d sont devenues incontournables pour des applicationstelles que la caractérisation et l'analyse de surfaces. Les travaux réalisés au coursde cette thèse ont pour objectif d'améliorer la qualité des reconstructions 3d par stéréophotométrie.Cette méthode repose sur deux principes, l'inversion d'un modèle d'interactionlumière/matière (BRDF) et la configuration d'un système d'éclairage et de prises de vues.Pour des surfaces diffuses, la stéréo-photométrie est réalisée à partir d'un minimum detrois images acquises d'un point de vue fixe pour des directions d'éclairages différentes.Son avantage est d'extraire simultanément les propriétés géométriques et colorimétriquesdes surfaces analysées même en cas de forte rugosité. Néanmoins, son application exige laformulation de plusieurs hypothèses qui sont difficilement respectables dans un contexteréel. Ceci génère des erreurs significatives dans les reconstructions. Pour les réduire, nousproposons différentes contributions qui s'articulent autour de la prise en compte globale de lachaine d'acquisition. Les apports de nos travaux se situent aux niveaux de la caractérisationet de la modélisation du système d'éclairage, du capteur d'acquisition et de l'améliorationde la qualité des images. Nous nous sommes aussi intéressés à l'optimisation des protocolesde prises de vues dans le cas de spécularité surfacique ou d'ombrage dus à la présence derugosité. Les résultats obtenus montrent que la prise en compte de ces caractéristiques dansl'inversion d'un modèle de BRDF permet une nette amélioration des reconstructions et offrela possibilité de réduire la taille des systèmes d'acquisition. / Tridimensional reconstruction method has become essential for applications suchas the characterization and analysis of surfaces. In this thesis, aims are to increase the qualityof 3d reconstructions by photometric stereo. This method is based on two principles, reversinglight-matter interaction model and configuration of a lighting system. With diffuse surfaces,the photometric stereo use three captured images from a fixed point of view for differentillumination directions. Its main advantage is to extract the color and geometric propertiesfor the textured rough surfaces. However, its application requires to make assumptions thatare not credible in real cases. This problem generates significant errors in the reconstructions.To reduce them, we offer various solutions around the overall consideration of the acquisitionchain. Our contribution focuses on the characterization and modeling of the lighting system,the acquisition sensor and improved image quality. We are also interested to optimize acquisitionprotocol in the case of specular surface or shading due to the surface geometry. Ourresults show that the inclusion of these features in the inversion of a BRDF model allowsan improvement of 3d reconstructions as well as the possibility of reducing the size of theacquisition systems.

Les techniques de télédétection sont aujourd'hui largement mises en œuvre pour l'exploration des surfaces planétaires, appelées régolites, telles que la Lune, Mercure, Mars ou les astéroïdes. La photométrie est une technique basée sur l'observation d'une surface sous des angles variés qui renseigne sur les propriétés physiques de surface : mode de diffusion des particules (diffusant vers l'avant ou rétrodiffusant), granulométrie, rugosité de surface, degré de compaction... Cette thèse est centrée sur les matériaux volcaniques et les phases amorphes (ou verres), en raison de leur importance dans les processus responsables de la formation et de l'évolution des régolites : volcanisme, cratérisation, interaction avec l'environnement spatial. À l'aide du modèle photométrique de Hapke, dont les paramètres, une fois inversés, permettent de remonter aux propriétés physiques de surface, ce sujet est exploré sous deux approches : en laboratoire et à partir de données orbitales. Les mesures multiangulaires expérimentales, réalisées avec le spectro-imageur de l'IRAP, ont permis la caractérisation photométrique de différents matériaux volcaniques granulaires naturels ayant des compositions, tailles de grains et des teneurs en verre et monocristaux variées : basaltes, sable volcanique, pyroclastiques, olivine, et verre issu de la fusion contrôlée de basalte. Suivant leur composition, formes et textures, une évolution des comportements photométriques des échantillons en fonction de la granulométrie a été notée. Les matériaux riches en verre frais et/ou monocristaux présentent un comportement spécifique peu observé jusqu'alors, ce qui permet de les distinguer des matériaux sans verre ou contenant du verre plus mature. Des mélanges basalte/verre basaltique ont également permis de mettre en évidence l'influence optique très forte et non linéaire du verre frais. Une étude photométrique du cratère lunaire Lavoisier à partir de données orbitales a montré l'applicabilité des techniques mises en œuvre en laboratoire sur des unités géologiques, et des caractéristiques photométriques propres aux dépôts pyroclastiques situés sur le plancher du cratère ont été déterminées. Un autre dépôt pyroclastique au niveau du cratère Lavoisier F montre un comportement photométrique distinct des pyroclastiques du cratère Lavoisier, témoignant d'une variété texturale, granulométrique ou compositionnelle entre ces unités. L'ensemble des résultats obtenus sur ces cratères apparaît cohérent en regard des expériences réalisées en laboratoire.

Dans cette thèse a été développé un modèle numérique simulant la lumière réfléchie et l'émission thermique d'exoplanètes telluriques ne possédant pas d'atmosphère, au cours de leur orbite. Ce modèle est constituée de plusieurs éléments. Le code calcule tout d'abord le flux stellaire incident en tout point de la planète et en fonction du temps en prenant en compte le mouvement orbital et la rotation de la planète. Si nécessaire, le modèle peut calculer la dissipation associée aux forces de marées et le flux de chaleur interne associé. Ces flux radiatif et interne servent de conditions aux limites à un modèle qui traite la diffusion de la chaleur dans la subsurface et calcule la température de surface. Enfin, le code calcule le flux, et sa variation avec la phase orbitale, reçu par un observateur distant dans une ou plusieurs bandes spectrales. Ce flux peut inclure les sources de bruits associés à la méthode d'observation de façon à produire une observable réaliste.Une première étude a été consacrée aux planètes en orbite circulaire et en rotation synchrone, c'est à dire recevant un flux d'illumination constant avec le temps. Cette étude a montré qu'il était possible de contraindre, à partir d'observations bruitées simulées effectuées avec les télescopes de la prochaine génération (JWST, EChO) leur albédo de Bond, leur rayon, et l'inclinaison de l'orbite par rapport à l'observateur. Associée à des mesures de vitesse radiale, cette technique pourra permettre de déterminer masse et rayon d'exoplanètes ne transitant pas.Une seconde étude traite de l'influence de la rotation et de la force maréale pour des planètes recevant un flux d'illumination non constant (excentriques et/ou en rotation). Il est montré qu'il est possible de détecter par photométrie orbitale la signature de ces deux effets dans la courbe de lumière et ainsi de mieux contraindre les modèles de marées existants. De multiples possibilités d'applications de ce modèle numérique sont en cours, et se prolongent au-delà de cette thèse. / We have developed a numerical model that computes the reflected light and thermal emission of an airless rocky exoplanets during its orbit. This code first computes the stellar incident flux over the planetary surface as a function of time for any Keplerian orbit and rotation. The code can compute the tidal dissipation and the associated internal heat flux. Those illumination and internal flux are the boundary conditions for a heat diffusion model, which calculates time-dependent surface and subsurface temperatures. Eventually, the model computes the flux received by a distant observer, in one or several spectral bands. A realistic observation can be simulated adding the various sources of noise noise associated with the observation method.A first study was dedicated to synchronous planets on a circular orbit that receive a constant illumination flux. This study showed that it is possible to constrain their Bond albedo, radius and inclination from observations done with the JWST or EChO. Associated with radial velocity measurements, mass and radius of nontransiting planets can be inferred. In another work on planets receiving a non constant illumination flux (eccentric orbits or non synchronous planets) we study the signature of rotation period the tidal dissipation in the orbital photometry. We show that rotation period can be inferred providing a novel method to test tidal models. Many possibles applications of this model are already in progress and continue to be developed beyond this thesis.

L’un des plus grands défis de la cosmologie moderne est d’expliquer l’accélération de l’expansion de l’univers dans son histoire récente. La découverte de cette accélération s’est faite grâce à des mesures de supernovae, ces dernières restant les sondes les plus puissantes pour charactériser cette accélération. Cette thèse vise à présenter l’analyse finale du Supernova Legacy Survey (SNLS) qui sera publiée en 2015. Nous commençons par présenter les fondements théoriques de la cosmologie moderne, en nous focalisant en particulier sur les défis théoriques que présente cette accélération. Nous introduisont ensuite les supernovae de type Ia (SNIa) et justifions leur usage en tant que sonde cosmologique. Par la suite, nous donnons un aperçu global de l’expérience SNLS. Nous abordons alors les aspects techniques de l’analyse. Nous commençons par l’exploration du processus de photométrie, utilisé pour la mesure des supernovae. Nous détaillons alors la nouvelle méthode de photométrie implémentée par SNLS qui évite le rééchantillonnage des images. Nous explorons aussi les simulations mise en œuvre dans le but de garantir la linéarité de la méthode au dessous de 1 pour mille. Nous explorons ensuite la procédure de calibration associée à ces mesures utilisant des étoiles de champ dont la précision de calibration atteint les 3.5 pour mille. Enfin, nous terminons avec une description détaillée de la mise en oeuvre de tous les outils présentés, afin d’extraire des paramètres cosmologiques des données. Afin d’estimer la capacité de SNLS à contraindre les paramètres cosmologiques, nous contruisons un diagramme de Hubble grâce à une analyse préliminaire des données incluant 960 supernovae, dont 450 provenant du SNLS. La combinaison de ce diagramme de Hubble avec des contraintes apportées d’autres sondes cosmologiques mène à une incertitude sur le paramètre de l’équation d’état de l’énergie noire de 0.048, la mesure la plus précise jusqu’à nos jours. / A significant open question of modern cosmology is explaining the accelerated expansion of the universe in late times. The discovery of this acceleration was made using supernova measurements, which continue to be the most significant probe with which to characterize this acceleration. This thesis concerns itself with presenting the final analysis of the Supernova Legacy Survey (SNLS) which will be published in 2015. We begin by presenting the theoretical foundations of modern cosmology, with special emphasis on the challenges presented by acceleration. We then introduce type Ia supernovae (SNIa) and motivate their use as probes of cosmic expansion. Afterwards, we give an overview of the SNLS experiment. We then move on to the technical aspects of the analysis that was carried out. We start by exploring the process of photometry, with which supernova measurements are made. Here we look at the newly implemented photometry method that avoids resampling images. We also explore simulations aimed at ensuring the method’s linearity up to less than 1 per mille. We then explain the calibration process associated with these measurements using field stars calibrated up to the 3.5 per mille level. Finally, we end with an in depth look at the cosmology analysis itself, which utilizes all the tools we have explored to extract cosmological parameters from the data. To estimate the constraining power of the SNLS experiment, we undertake a preliminary analysis of the data by constructing a Hubble diagram using 960 supernovae, of which 450 come from the SNLS. Combining this Hubble diagram with constraints from other cosmological probes leads to an uncertainty on the equation of state parameter of dark energy of 0.048, its most preciseconstraint to date.

Le mini-satellite Corot lancé en 2006 utilisera la méthode des transits : <br />Une exoplanète signe son passage devant l'étoile par une brève baisse de flux inférieure au millième. La stabilité et continuité de mesure seront assurées sur 150 jours pour 60.000 étoiles afin d'augmenter le nombre de configurations favorables. La photométrie d'ouverture intègre chaque flux dans un masque de lecture adapté aux multiples bruits, limité `a 250 formes différentes pour 12.000 cibles. J'ai étudié des méthodes autorisant cette réduction sans perte notable de signal `a bruit. Le tri efficace de masques aléatoires s'avère la plus satisfaisante. <br /><br /> Pour la détection, j'ai développé une méthode qui rehausse le contraste des transits en éliminant les composantes des effets collectifs et de certains artefacts. Après détection temporelle les systématiques sont identifiées, même celles d'origine et de poids inconnus. On fait émerger de nouvelles détections en jaugeant la dispersion autour de ces composantes.