Les petits corps du système solaire riches en volatiles incluent plusieurs populations d’objets : les astéroïdes de la ceinture principale, les astéroïdes troyens des planètes géantes, les objets trans-neptuniens (OTNs) et les comètes. Au cours de ces dernières années, l'’idée que leur position actuelle résulte de migrations orbitales plutôt qu’elle ne reflète leur région de formation a progressivement émergée. Spécifiquement, certains astéroïdes pourraient être des comètes, et certaines comètes pourraient être des OTNs. Je présente ici les travaux réalisés au cours de ma thèse pour contraindre la composition (minéralogie de surface et structure interne) de ces différentes populations afin i) de déterminer les liens qui les unissent, ii) comprendre leurs migrations passées et donc, iii) apporter de nouvelles contraintes aux modèles dynamiques décrivant la formation et l’évolution de notre système solaire. À cet effet, j’ai principalement utilisé comme méthode d’analyse l’observation spectroscopique, ainsi que la modélisation des données obtenues et leur comparaison aux données spectrales de météorites et poussières cosmiques étudiées en laboratoire. / The icy small bodies of our solar system encompass several populations of objects : the main belt asteroids, the giant planets Trojans, the Trans-Neptunian Objects (TNOs) and the comets. During recent years, the idea that their present location is the result of orbital migrations rather than their true formation location has progressively emerged. Specifically, some asteroids could be comets, and some comets could be TNOs. Here, I present the studies carried out along my PhD aiming to constrain the physical properties of all these populations in order ultimately i) to determine the link between these populations, ii) bring key constraints to their past orbital evolution and thus iii) key constraints to the formation and evolution models for our Solar System. For that purpose, I have used spectroscopy as a main tool, as well as data modelling using a radiative transfert code and comparison of our astronomical data to laboratory measurements of meteorites and cosmic dust.

Parmi les méthodes qui permettent de détecter des exoplanètes, la photométrie des transits est celle qui a connu le plus grand essor ces dernières années grâce à l’arrivée des télescopes spatiaux CoRoT (en 2006) puis Kepler (en 2009). Ces deux satellites ont permis de détecter des milliers de transits potentiellement planétaires. Étant donnés leur nombre et l’effort nécessaire à la confirmation de leur nature, il est essentiel d’effectuer, à partir des données photométriques, un classement efficace permettant d’identifier les transits les plus prometteurs et qui soit réalisable en un temps raisonnable. Pour ma thèse, j’ai développé un outil logiciel, rapide et automatisé, appelé BART (Bayesian Analysis for the Ranking of Transits) qui permet de réaliser un tel classement grâce une estimation de la probabilité que chaque transit soit de nature planétaire. Pour cela, mon outil s’appuie notamment sur le formalisme bayésien des probabilités et l’exploration de l’espace des paramètres libres par méthode de Monte Carlo avec des chaînes de Markov (mcmc).Une fois les exoplanètes détectées, l’étape suivante consiste à les caractériser. L’étude du système solaire nous a démontré, si cela était nécessaire, que l’information spectrale est un point clé pour comprendre la physique et l’histoire d’une planète. L’interférométrie annulante est une solution technologique très prometteuse qui pourrait permettre cela. Pour ma thèse, j’ai travaillé sur le banc optique Nulltimate afin d’étudier la faisabilité de certains objectifs technologiques liés à cette technique. Au-delà de la performance d’un taux d’extinction de 3,7.10^-5 en monochromatique et de 6,3.10^-4 en polychromatique dans l’infrarouge proche, ainsi qu’une stabilité de σN30 ms = 3,7.10^-5 estimée sur 1 heure, mon travail a permis d’assainir la situation en réalisant un budget d’erreur détaillé, une simulation en optique gaussienne de la transmission du banc et une refonte complète de l’informatique de commande. Tout cela m’a finalement permis d’identifier les faiblesses de Nulltimate. / From all exoplanet detection methods, transit photometry went through the quickest growth over the last few years thanks to the two space telescopes, CoRoT (in 2006) and Kepler (in 2009). These two satellites have identified thousands of potentially planetary transits. Given the number of detected transits and the effort required to demonstrate their natures, it is essential to perform, from photometric data only, a ranking allowing to efficiently identify the most promising transits within a reasonable period of time. For my thesis, I have developed a quick and automated software called bart (Bayesian Analysis for the Ranking of Transits) which realizes such a ranking thanks to the estimation of the probability regarding the planetary nature of each transit. For this purpose, I am relying on the Bayesian framework and free parameter space exploration with Markov Chain Monte Carlo (mcmc) methods.Once you have detected exoplanets, the following step is to characterise them. The study of the solar system demonstrated, if it was necessary, that the spectral information is a crucial clue for the understanding of the physics and history of a planet. Nulling interferometry is a promising solution which could make this possible. For my thesis, I worked on the optical bench Nulltimate in order to study the feasibility of certain technological requirements associated with this technique. Beyond the obtention of a nulling ratio of 3,7.10^-5 in monochromatic light and 6,3.10^-4 in polychromatic light in the near infrared, as well as a stability of σN30 ms = 3,7.10^-5 estimated on 1 hour, my work allowed to clarify the situation thanks to a detailed error budget, a simulation of the transmission based on Gaussian beam optics and a complete overhaul of the computer control system. All of this finally resulted in the identification of the weaknesses of Nulltimate.

La majorité des exoplanètes connues à ce jour ont été découvertes par la méthode du transit, qui infère indirectement l’existence de tels objets, si l’alignement le permet, en mesurant la baisse temporaire et répétée de la brillance d’une étoile lors du passage d’une exoplanète devant celle-ci. La recherche de biosignatures, donc de vie, dans l’atmosphère d’une exoplanète est désormais le principal objectif dans ce domaine d’études, et pour maintes raisons, celles de taille de moins d’approximativement deux rayons terrestres autour d’étoiles naines rouges sont particulièrement convoitées. Afin de connaître davantage de tels systèmes dans le voisinage solaire et dans toutes les régions du ciel, le Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) fut lancé en avril 2018. Le grand échantillonnage de 21'' par pixel des caméras à bord de TESS résulte fréquemment à une contamination des données des étoiles d’intérêt montrant un signal prometteur de transit, par le flux d’autres étoiles à proximité. Lorsque l’une de ces sources contaminantes est une étoile binaire à éclipses, phénomène astrophysique pouvant mimer un transit, la détection constitue très souvent un événement faux positif. Ainsi, de nouvelles observations photométriques et spectroscopiques sont généralement requises pour identifier les véritables exoplanètes. Ce mémoire présente les résultats du suivi photométrique de neuf candidates exoplanètes identifiées par TESS à l’Observatoire du Mont-Mégantic avec la caméra Planètes Extra-Solaires en Transit et Occultations (PESTO). Une routine d’ajustement de courbe de transit développée durant cette maîtrise procure une estimation de certains paramètres physiques (rayons, demi-grand axe et inclinaison) des candidates. Parmi celles-ci, TOI 1452.01 ressort du lot, car cette probable exoplanète d’environ deux rayons terrestres orbite dans la zone habitable de son hôte naine rouge, c’est-à-dire à une distance permettant la présence d’eau liquide à sa surface. / The majority of the exoplanets known to date have been discovered using the transit method, which indirectly infers the existence of such objects by measuring a temporary and repeated drop in the brightness of a star when, for the right alignement, an exoplanet passes in front of it. The search for biosignatures, thus life, in an exoplanet atmosphere is now the main objective in this field of study, and for several reasons, planets with a radius less than approximately two Earth radii around red dwarfs are particularly targeted. With the goal of finding more such systems in the solar neighbourhood and in all regions of the sky, the Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) was launched in April 2018. The large image sampling of 21'' per pixel of the cameras on board TESS often results in data contamination of stars showing promising transit signal, by the flux of nearby stars. If one of these contaminating sources happens to be an eclipsing binary, an astrophysical phenomenon able to mimic a transit, the detection is most likely a false positive event. Thus, follow-up observations in photometry and in spectroscopy are generally required to identify the genuine exoplanets. This thesis presents the results of a photometric monitoring campaign at the Observatoire du Mont-Mégantic with the Planètes Extra-Solaires en Transit et Occultations (PESTO) camera of nine exoplanet candidates identified by TESS. A transit curve fitting routine developed during this master’s provides an estimation for certain physical parameters (radius, semi-major axis and inclination) of these candidates. Among them, TOI 1452.01 stands out, because this probable exoplanet has an estimated radius close to two Earth radii, in addition to being located within the habitable zone of its red dwarf host, i.e. at a distance allowing the presence of liquid water on its surface.

Ce travail de thèse se focalise sur l'usage de grands sondages pour extraire de l'information sur la cosmologie. Une photométrie de précision joue un rôle clé dans cette quête à travers la détermination de redshifts photométriques ainsi que la propagation des erreurs dans les résultats cosmologiques ; thème unissant les deux parties de cette thèse. Après une revue de la cosmologie et des mesures favorisant le modèle ΛCDM, ainsi qu'une description du Large Synoptic Survey Telescope (LSST), la première partie de ce travail se porte sur l'étude de la variation des principaux constituants de l'atmosphère sur la photométrie au sol, au niveau du site du LSST à Cerro Pachón, au Chili. Nous utilisons des données récentes sur l'ozone, la vapeur d'eau et les aérosols pour en construire une simulation de longue durée et estimer quantitativement l'influence des gradients spatiaux et temporels de ces constituants sur la procédure de la calibration du LSST. La deuxième partie de ce travail débute par une description théorique de l'effet de lentille gravitationnelle, avec un accent sur le lentillage faible. Après une comparaison des avantages et inconvénients inhérents aux mesures de cisaillement cosmique, nous explorons l'utilisation de l'amplification cosmique conjointement à la séparation tomographique en redshift permise par le LSST afin de contraindre les modèles. Nous trouvons que l'amplification cosmique, bien qu'affectée par le clustering intrinsèque, représente une sonde prometteuse du biais des galaxies et de l'énergie noire, complémentaire au cisaillement cosmique, et qui augmente la robustesse des contraintes cosmologiques provenant des mêmes relevés.

Le sujet de ce travail est la conception d'une caméra bolométrique à bas niveau de bruit pouvant contenir jusqu'à un millier de pixels. Ce type d'architecture est proposé pour la réalisation d'une nouvelle génération d'instruments dédiés à l'astronomie millimétrique. La caméra offrira d'intéressantes perspectives pour la cosmologie et la physique galactique. Nous avons défini les spécifications de la chaîne optique et des détecteurs, pour une utilisation optimale du radiotélescope de 30m de l'IRAM. Nous avons ouvert la voie à la réalisation de matrices de bolomètres par des procédés de microfabrication. Une partie importante du travail est consacrée à la caractérisation électrique de couches minces thermométriques de NbSi à très basse température (0,1 K). Nous avons étudié le problème du multiplexage des signaux, afin de mesurer un grand nombre de détecteurs en évitant les inconvénients liés au câblage. Nous proposons une électronique de proximité fonctionnant à très basse température.

Connaître en détail la structure interne d'un corps suppose une analyse sismique. La structure interne de Jupiter reste mal contrainte par les observations. Ce travail de these s'inscrit dans deux projets instrumentaux, conçus pour la sismologie jovienne : JOVIS, un projet de photométrie spatiale et SYMPA un interféromètre imageur multi-site. Le principe de JOVIS considère Jupiter tel un miroir réfléchissant la lumière solaire. Ce travail montre comment les nuages réagissent aux oscillations et présentent une amplification des variations relatives d'albédo d'un facteur 70. De telles variations sont mesurables depuis l'espace, par photométrie à haute précision. Le principe de SYMPA est la mesure du champ de vitesse, lié aux oscillations, par mesure du décalage Doppler. Trois campagnes ont été menées : les performances instrumentales sont conformes aux attentes et le dépouillement des données est en cours. Enfin, une méthode d'identification des modes d'oscillations dans un signal bruité a été développée.

Le développement des LED de forte puissance, au début des années 2000, a engendré un besoin de caractérisation des propriétés radiométrique, photométrique et colorimétrique de ces sources, essentiellement pour des applications d'éclairage général. L'équipe « Rayonnements optiques » de l'Institut national de métrologie a étudié ces trois aspects en travaillant sur la thématique de la qualité de la lumière par le biais du rendu des couleurs lié à la perception visuelle. Des études ont été effectuées à partir de mesures physiques et visuelles sur des échantillons colorés éclairés par des LED montées dans une cabine à lumière. Les mesures physiques ont porté sur les répartitions spectrales des éclairages à LED à partir desquelles des paramètres colorimétriques (coordonnées chromatiques, température de couleur proximale, indices de rendu des couleurs) ont pu être évalués. L'analyse métrologique de ces données expérimentales a été réalisée à l'aide d'une méthode numérique de type Monte Carlo. Les mesures visuelles ont été obtenues à partir d'une expérience psychophysique reposant sur une méthode de comparaison par paires permettant de quantifier la qualité des éclairages à LED sur plusieurs échantillons colorés. Pour chaque échantillon, un classement des éclairages à LED, du meilleur au moins bon, a pu être proposé. La confrontation des résultats issus des mesures physiques et des mesures visuelles a conduit à présenter des pistes de quantification du rendu des couleurs des LED. Les résultats obtenus ont été transmis au comité technique TC 1-69 de la Commission internationale de l'éclairage (CIE), qui a pour rôle de définir une nouvelle recommandation pour l'évaluation des propriétés de rendu des couleurs des sources lumineuses d'ici à la fin 2010.

La spectrographie à champ intégral est une technique d'observation astronomique puissante permettant d'acquérir des informations spectrales en tout point d'une zone du ciel. Longtemps cantonnée, du fait du traitement spécifique qu'elle requiert, à des niches instrumentales, elle est maintenant disponible sur tous les grands télescopes. Naturellement, cette spectrographie dite " 3D " a d'abord été utilisée pour l'étude de sources étendues, essentiellement extra-galactiques. Elle a néanmoins de nombreux avantages pour l'observation de sources ponctuelles : qualité photométrique, soustraction du fond structuré, facilité d'acquisition, etc. J'ai ainsi contribué au développement à Lyon du " SuperNova Integral Field Spectrograph " (SNIFS), le premier et unique spectrographe à champ intégral dédié à l'observation spectro-photométrique des supernovæ proches. Dans la tradition des précédentes réalisations de l'Observatoire de Lyon, cet instrument est un spectrographe 3D à trame de micro-lentilles (15 × 15), offrant une couverture spectrale étendue (3200-10 000 Å) avec une résolution modérée ( R~2000) sur un champ de vue restreint (6,4 × 6,4 arcsec²). Même si la technologie mise en oeuvre est maintenant relativement classique, les ambitions en terme de précision spectro-photométrique sont élevées. Responsable de la production des données SNIFS, j'ai mis en place toute la chaîne automatisée de réduction et d'étalonnage s'appuyant sur une compréhension fine des détecteurs (non-linéarité aux bas flux, lumière diffuse), de l'instrument (extraction optimale, étalonnage spectro-spatial, etc.) et de l'atmosphère (spectro-photométrie de PSF, transmission atmosphérique, étalonnage en flux, etc.), pour des performances finales conformes aux exigences scientifiques. SNIFS constitue le coeur du projet " The Nearby Supernova Factory " (SNfactory), une collaboration internationale visant à étudier des supernovæ thermonucléaires (dites de type Ia, SNe Ia) proches (z < 0,1). Ces chandelles standards de portée cosmologique sont à l'origine de la découverte de l'expansion accélérée de l'Univers, et doivent maintenant permettre de préciser la nature de la mystérieuse " énergie noire " qui en serait la cause. Cependant, de nombreux aspects pratiques restent à étudier pour obtenir des contraintes cosmologiques fortes et indiscutables : quelle est la luminosité et la couleur intrinsèque des SNe Ia ? Existe-t-il différentes sous-catégories, et comment les identifier ? Quelle est la nature du progéniteur ? La collaboration SNfactory a acquis, depuis l'installation de SNIFS en 2004 sur le télescope de 2,2 m de l'Université d'Hawaï, plus de 200 séries temporelles de SNe Ia proches, totalisant plus de 3000 spectres étalonnés en flux avec une précision de 2-3 % selon les conditions atmosphériques. Cet échantillon unique, sans équivalent dans le reste du monde, nous permet de mieux comprendre la physique de ces objets (p.ex. existence de SNe dites " super-Chandraskhar "), de mettre en place de meilleures méthodes de standardisation (en particulier par l'étude des caractéristiques spectrales), de réduire les erreurs systématiques tant observationnelles que méthodologiques, d'étudier la relation entre les SNe et leur environnement galactique (propriétés globales ou locales), etc. Le projet SNfactory est illustratif des développements récents de la cosmologie observationnelle, entrée depuis 15 ans dans le domaine des mesures de précision. Après les expérimentations de découverte et de confirmation, de nombreux projets en préparation doivent permettre d'aborder la 3e phase, celle des observations de masse. Deux collaborations dominent les perspectives à 10 ans dans ce domaine : le Large Synoptic Survey Telescope et Euclid. L'expertise acquise dans la gestion d'un projet intermédiaire tel que SNfactory me permettra d'y contribuer efficacement.

Cette thèse d'habilitation consiste en trois petits articles de revue indépendants, couvrant mes activités passées au sein du groupe de cosmologie du LPNHE. Le premier chapitre est consacré à la mesure de l'histoire de l'expansion cosmique avec des supernovae de type Ia (SNe Ia). Les techniques de détermination de distance de luminosité mises en oeuvre au sein du Supernova Legacy Survey (SNLS) sont détaillées. Les résultats de l'analyse des trois premières années de données du SNLS sont présentés. Le second chapitre traite d'un ingrédient essentiel de ce type d'analyse, à savoir la calibration photométrique des imageurs grand-champ utilisés pour mesurer le flux des supernovae. Les techniques développées pour la calibration du survey SNLS (Regnault et al, 2009), puis quelques années plus tard pour l'intercalibration des surveys SNLS et SDSS-II (Betoule et al, 2013) sont présentées en détail. Enfin, le dernier chapitre présente les nouveaux projets de calibration instrumentale imaginés par plusieurs équipes dans le monde. Dans notre exposé, l'accent est mis sur le projet de calibration DICE, développé par le groupe du LPNHE. Au coeur de DICE est une source de calibration multi-longueur d'onde ultra-stable, réalisée au laboratoire, et testée notamment auprès du Canada-France-Hawaii Telescope (CFHT, Mauna Kea, Hawaii).

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