Les Objets Transneptuniens (OTN) et les comètes à courte période sont considérés comme les vestiges directs de la nébuleuse primitive qui a donné naissance à notre système solaire. L'histoire dynamique et collisionnelle de ces objets pourrait laisser penser qu'ils ont été différenciés physico-chimiquement. L'objet du travail présenté ici est de déterminer si la matière dite ``primordiale'', incorporée dans les OTN, a perdu, d'une certaine manière, la mémoire de ses origines, en subissant des transformations physico-chimiques profondes lors de collisions successives.<br /><br />Nous analysons dans une première étape les conditions de formation et la structure des glaces incorporées dans les planétésimaux. <br />Nous montrons que la composition chimique initiale de la phase gazeuse du disque protoplanétaire a une incidence non négligeable sur la composition des planétésimaux formés de diverses glaces cristallines, et sur l'évolution thermique de l'ensemble des objets formés (planètes extrasolaires de faible masse et glacées, planètes géantes, satellites, comètes, ...) dans la région externe des disques protoplanétaires. Ainsi, les planètes extrasolaires de faible masse formées à l'origine dans un environnement froid peuvent être du type planètes ``océan'' ou ``carbonées''. <br />Nous réalisons ensuite un modèle numérique de planétésimal, à la composition physico-chimique simplifiée, qui assure la conservation des quantités physiques (masse et énergie), et permet l'étude à long terme des planétésimaux dans la région transneptunienne. Ce modèle représente une matrice poreuse composée d'éléments réfractaires et d'un mélange de différentes glaces. L'ensemble des processus physiques tels que les changements de phase (sublimation/condensation, cristallisation) et la modélisation des transferts thermiques et de masse y sont pris en compte. <br /><br />Le choix de la méthode d'intégration numérique et du cadre mathématique de résolution des équations de conservation (masse et énergie) est ensuite discuté. Le problème de la conservation des quantités physiques (masse et énergie) est abordé et l'erreur sur la conservation de la masse obtenue avec notre modèle est comparée à celle obtenue avec des modèles antérieurs. Nous montrons que l'erreur sur le bilan de masse obtenu par la méthode des volumes finis, utilisée dans ce modèle, permet de gagner au moins un ordre de grandeur sur celui des modèles antérieurs.<br />Les améliorations apportées au modèle de planétésimal permettent d'obtenir une représentation de sa différenciation physico-chimique plus fiable sur le long terme et permettent l'étude de l'influence de collisions successives. <br />Grâce à cela, nous pouvons analyser l'influence de la composition physico-chimique et celle de l'ensemble des paramètres physiques sur l'évolution thermique et physico-chimique de planétésimaux situés dans la région transneptunienne.<br /><br />Enfin, nous déterminons les laps de temps nécessaires entre deux collisions pour engendrer une évolution physico-chimique des objets cibles, à partir d'une composition originelle imposée. Nos résultats infirment l'hypothèse selon laquelle les Objets Transneptuniens pourraient être significativement affectés par le processus collisionnel.

Dans cette thèse, nous avons étudié les effets thermiques des impacts météoritiques et leurs contributions à la formation du noyau terrestre par modélisations numériques. Les impacts météoritiques apportent sur leur cible une quantité importante d'énergie qui permet une augmentation locale de la température fonction du rayon de la planète impactée dans une région sphérique en dessous du point d'impact. <br />Un impact géant sur une petite protoplanète engendre une anomalie thermique sans fusion significative. Lorsque l'impacteur dépasse une taille critique, l'anomalie thermique subit d'abord une phase advective isotherme puis refroidit par diffusion. L'épaisseur de l'anomalie thermique à la fin de l'étape advective ne dépend que de la taille et des paramètres rhéologiques du corps impacté. <br />Lors d'un impact géant sur une protoplanète indifférenciée avec un rayon supérieur au millier de kilomètres, l'énergie apportée peut générer localement de la fusion partielle et une ségrégation entre le fer très dense et les silicates plus légers. Le fer migre ensuite vers le centre de la planète et contribue ainsi à la formation du noyau. Nous avons développé des modèles d'évolution thermique par dissipation visqueuse de la phase métallique plongeant dans du matériel indifférencié. Lorsque son volume est suffisant, le diapir de fer se réchauffe lors de sa chute vers le centre. Ce chauffage est fonction des paramètres rhéologiques de la planète impactée et notamment des contrastes de viscosité mis en jeu.

L'interférométrie en frange noire est une technique coronographique utilisée en astronomie et qui est au coeur de la mission spatiale Darwin de l'ESA pour la détection de planètes dans des systèmes extra-solaires. Cette technique requiert une grande stabilité du système optique pour la recombinaison de plus de deux faisceaux. De plus, les objectifs scientifiques<br />à atteindre nécessitent également l'utilisation d'un filtrage<br />modal des faisceaux incidents. Ce travail de thèse est axé sur le<br />développement de l'optique intégrée pour la bande 4 - 20 microns<br />pouvant regrouper les fonctions de recombinaison et de filtrage. Le contexte initial est celui de l'extension de l'optique guidée monomode de l'infrarouge proche vers l'infrarouge moyen qui constitue un domaine d'intérêt important pour la recherche de planètes. Après une présentation des enjeux de l'interférométrie en frange noire, j'introduis les notions fondamentales de l'optique<br />guidée monomode utilisés pour l'étude des solutions guides<br />diélectriques et guides creux métalliques. La problématique du<br />couplage du signal dans le guide est également abordée. Leur<br />caractérisation en laboratoire à 10 mircons a requis le développement de bancs optiques et de méthodes spécifiques qui ont permis la mise en évidence du caractère monomode de premières structures synthétisées suivant un procédé technologique précis. Les premières mesures de taux d'extinction montrent également l'intérêt de poursuivre ce type de développement en vue du filtrage modal.<br />L'optique intégrée dans l'infrarouge moyen a atteint une nouvelle<br />et importante étape et pourra répondre, à moyen terme, à la<br />problématique posée par l'interférométrie en frange noire.

La mission Darwin de l'Agence Spatiale Européenne, envisagée à l'horizon 2015, est destinée à l'étude de planètes extrasolaires géantes et telluriques autour d'étoiles proches, pour analyser leurs atmosphères et y détecter d'éventuelles bio-signatures. Le principe proposé pour cette mission est celui de l'interférométrie en frange noire, basée sur le coronographe interférentiel de Bracewell, pour annuler le flux de l'étoile et rendre visible les planètes en orbite autour de celle-ci.<br /><br />Les difficultés technologiques de Darwin exigent, avant une application spatiale, la validation de chaque élément de l'instrument, lors d'expériences préparatoires en laboratoire. Parmi ces difficultés, le déphaseur de Pi, introduit dans l'interféromètre pour annuler le flux de l'étoile, doit être achromatique dans la bande d'observation (6-18 microns). Il existe plusieurs façons de créer ce déphasage achromatique. Cette thèse présente l'étude et le développement de l'une de ces techniques, basée sur des prismes dispersifs, et testée sur le banc SYNAPSE.<br /><br />Après une présentation des enjeux planétologiques et exobiologiques de Darwin, nous introduisons les différentes techniques de déphasage achromatique. Le concept à base de lames dispersives prismatiques est détaillé, ainsi que les étapes de développement du banc SYNAPSE, fonctionnant en proche infrarouge. Nous montrons enfin que ce banc a permis de maintenir un taux de réjection de 4 000 (soit des fuites stellaires de 2,5.10-4) sur l'ensemble de la bande K (2-2,5 microns) durant plusieurs minutes. Ces résultats montrent également que, bien plus que le niveau absolu de réjection, l'enjeu réside dans sa stabilité durant les observations.

Les magnétosphères en rotation rapide des planètes géantes (Jupiter, Saturne) contiennent de nombreuses sources de plasma situées très à l'intérieur du système magnétosphérique. Le plasma créé localement au voisinage de ces sources est cependant observé dans toutes les régions de ces magnétosphères, mettant en évidence la nécessité d'un mécanisme de transport radial du plasma à travers le système. Cette thèse s'intéresse à l'étude théorique de l'instabilité d'interchange, une instabilité de type Rayleigh-Taylor dans laquelle les forces centrifuges jouent le rôle de la gravité, et généralement invoquée pour expliquer le transport radial à l'oeuvre dans les magnétosphères de Jupiter et de Saturne. <br> Afin de prendre en compte la nature des plasmas magnétosphériques, peu collisionnels, un formalisme exact d'étude linéaire des ondes et instabilités basse-fréquence dans les plasmas gyrotropes a été développé. Ce formalisme permet notamment de considérer les effets des forces non-électromagnétiques (force de gravitation, centrifuge et de Coriolis), les paramètres de la stratification (gradients et courbure) et certains effects cinétiques (résonance Landau). <br> Ce formalisme est dans un premier temps validé dans le cas des plasmas homogènes, avant d'être appliqué au cas des plasmas stratifiés. Les modes les plus influencés par la stratification du milieu, dénommés modes de quasi-interchange, y sont identifiés en termes de mode d'Alfvén, mode magnétosonore lent et mode miroir, suivant la terminologie classique en milieu homogène. Les critères d'instabilité des différents modes de quasi-interchange sont entièrement obtenus de manière analytique et sont appliqués au cas du plasma multi-espèces présent dans le tore de plasma du satellite Io de Jupiter, tel que décrit à travers les observations des sondes Voyager et Galileo. <br> Enfin, en attendant les observations de la mission Cassini en 2004 pour appliquer ces résultats dans l'environnement spatial de Saturne, son survol de Jupiter en décembre 2000 - janvier 2001 est présenté brièvement. L'analyse des données champ magnétique obtenues lors de ce survol nous permet de mettre en évidence profondément dans la magnétogaine jovienne des signatures observationnelles du mode miroir, identifié auparavant à l'aide de notre formalisme théorique.

Grâce à la spectroscopie des vitesses radiales, on connaît en 2003 plus d'une centaines d'exoplanètes géantes autour d'étoiles de type solaire. Les limites de cette technique poussent à utiliser d'autres méthodes pour caractériser complètement les planètes connues, détecter des planètes de taille terrestre, et accéder à des informations statistiques sur une grande population d'objets. Cette thèse porte sur deux de ces techniques complémentaires : d'une part la photométrie des transits et d'autre part l'interférométrie infrarouge à très longue base. La photométrie des transits a été étudiée dans le cadre de la mission spatiale COROT : on a mis en oeuvre un algorithme de détection par filtrage adapté afin de déterminer (i) l'efficacité de détection de l'instrument pour différentes distributions orbitales des planètes, et (ii) la répartition des détections en fonction du type spectral et de la magnitude de l'étoile hôte. En outre, on a étudié l'utilisation des canaux photométriques de COROT pour discriminer les fausses détections et pour réduire la part du bruit de variabilité stellaire. Un traitement global des mesures par interférométrie à très longue base et par spectroscopie permet la caractérisation complète des systèmes doubles. On a appliqué ce traitement à des observations réelles d'étoiles binaires spectroscopiques, puis on a étudié la faisabilité d'observations de couples du type de 51 Pegasi. Par ailleurs, on a contribué à l'effort vers la très haute précision en interférométrie infrarouge par la réalisation d'un catalogue d'étoiles-étalons, et par la caractérisation instrumentale d'un prototype de fibre monomode à 10 µm, un composant essentiel pour les missions spatiales dédiées aux exoplanètes telluriques comme Darwin/TPF.

Résumé Les premiers d´etecteurs aptes `a faire de l'imagerie dans le domaine de l'infrarouge thermique (5-25 µm) depuis le sol sont apparus dans les ann´ees 90. Comme nous connaissons relativement mal les ob jets astrophysiques `a ces longueurs d'onde, il y a avait l`a un tr`es fort potentiel de nouvelles d´ecouvertes sur les ob jets “ti`edes” (100-500 K) ou faiblement enfouis. Ce manuscrit d´ecrit mes travaux de recherche durant les dix derni`eres ann´ees dans les domaines de l'instrumentation infrarouge thermique sur grand t´elescopes au sol et les applications astrophysiques centr´ees essentiellement sur de domaine de l'observation de disques circumstellaires autour d'´etoiles de pr´e-s´equence principale de type Herbig Ae. En particulier, l'imagerie infrarouge `a haute r´esolution angu- laire de ces disques (0.25-1.0 arcsec) m'a permis d'en ´etudier la g´eom´etrie `a relativement grande ´echelle (30-500 UA). La diversit´e de g´eometries rencontr´ee montre que ces disques ont chacun leurs particularit´es et que l'on commence aujourd'hui `a ˆetre capables de mettre en ´evidence leurs processus ´evolutifs. En outre, certaines structures observ´ees, comme des anneaux brillants d'´emission, pourraient ˆetre en lien ´etroit avec le processus de formation plan´etaire. Le dernier chapitre est consacr´e `a l'´etude des perspectives scientifiques concernant l'observation en in- frarouge moyen depuis le sol en lien avec le domaine de la plan´etologie. Je montre qu'un instrument infrarouge moyen install´e sur un Extremely Large Telescope aura la capacit´e de d´etecter et de caract´eriser les plan`etes g´eantes extra-solaires les plus proches (d< ∼20 pc). En outre, un tel instrument pr´esentera des capacit´es uniques pour ´etudier la formation plan´etaire dans les disques protoplan´etaires.

Parmi les 400 exoplanètes découvertes, seulement une petite fraction sont en orbites autour d'étoiles plus massives que les étoiles de type solaire. Afin de contraindre les scénarios de formation et d'évolution des systèmes planétaires dans leur globalité il est cependant nécessaire de s'intéresser à la détection de planètes autour de telles étoiles. Dans le cadre de cette thèse je me suis focalisé sur les étoiles A et F de la séquence principale. La mesure de vitesses radiales (VR) précises est délicate pour ces étoiles (peu de raies, rotation élevée), de plus la présence de pulsations ou d'activité magnétique perturbent les mesures et peuvent faire croire à la présence de planètes. D'une part, des relevés systématiques ont permis la détection de plusieurs candidats et la détermination des premières statistiques sur la présence de planètes autour des étoiles A-F. D'autre part, des simulations numériques nous ont permis de simuler l'effet des taches, plages et pulsations sur les variations de VR, photométrie et astrométrie. Grâce à cela, nous avons effectué une étude quantitative complète de l'effet d'une tache à la surface d'étoiles de types spectraux variés et pour différentes configurations (position, taille, vsini). Nous avons aussi simulé l'effet des taches et plages (extraites des observations) sur les VR du Soleil telles qu'elles auraient pu être mesurées sur plus d'un cycle d'activité. A l'aide de ces simulations, nous avons étudié la détectabilité de planètes de masse terrestre dans la zone habitable d'étoiles de type solaire.

L'objectif de la mission spatiale Darwin de l'ESA est la détection directe, dans le domaine de l'infrarouge thermique, de planètes extra-solaires de type Terre autour d'étoiles proches et de rechercher des traces de vie dans l'atmosphère éventuelle via la spectroscopie.<br />L'un des points durs technologiques de réalisation de l'instrument est la maîtrise de l'interférométrie à frange noire, et en particulier la recombinaison de quatre ondes et l'introduction sur deux d'entre elles d'un déphasage de pi achromatique.<br />Ce manuscrit présente l'étude d'un système compact de recombinaison, répondant à ces deux exigences : la cascade de CIA.<br />Dans un premier temps, la contexte scientifique de la mission Darwin est décrit et l'état des lieux des avancées réalisées est dressé.<br />Dans un deuxième temps, le principe et l'étude de faisabilité de la cascade sont détaillés, comprenant l'analyse des contraintes que posent son application au mode coronographique de Darwin et l'établissement des spécifications instrumentales associées. L'apport d'un filtrage spatial des fronts d'onde est aussi étudié.<br />Dans un troisième temps, les technologies en développement, susceptibles d'apporter de nouvelles solutions aux obstacles technologiques rencontrés, et le projet GENIE, précurseur au sol de Darwin sont succinctement décrits.<br />Les spécifications instrumentales établies sont réalisables, à la vue des performances technologiques accessibles à ce jour. Au terme de l'étude, il apparaît donc que la cascade de CIA pourrait être une solution alternative au mode de recombinaison de la mission Darwin.

L'interférométrie annulante est une technique d'observation qui devrait permettre aux missions spatiales DARWIN (Agence Spatiale Eurpéeenne) ou TPF-I (NASA), de détecter et de caractériser spectralement l'atmosphère de planètes extra-solaires de type tellurique et de trouver d'éventuelles bio-signatures.<br /><br />Ce travail de thèse est une étude théorique et expérimentale de cette technique. Après une présentation du contexte astrophysique justifiant l'utilisation de tels instruments, ce manuscrit se focalise sur le problème de l'obtention expérimentale des niveaux d'extinction interférométrique requis pour la détection de planètes (10-5) ainsi que leur stabilisation (elle aussi indispensable à la détection de planètes).<br /><br />Un banc banc interférométrique : NULLTIMATE a été conçu pour la caractérisation expérimentale de déphaseurs achromatiques, l'un des composants optiques essentiels d'un interféromètre annulant. Cet interféromètre de laboratoire doit fonctionner dans la bande spectrale du futur instrument : 618 µm. Il a été conçu pour fonctionner à basse température. Il devrait permettre de caractériser quatre types de déphaseurs achromatiques différents, à la fois en mesurant des niveaux d'extinction élevés (de l'ordre de 10-5) et en mesurant le déphasage introduits par ces déphaseurs en fonction de la longueur d'onde. Ce banc pourra enfin être un bon laboratoire pour tester des techniques de stabilisation de l'extinction.