La turbulence est un phénomène physique majeur de la formation du système solaire. Malheureusement, la simulation numérique d'un fluide astrophysique réaliste est hors de portée des meilleurs super-calculateurs actuels. Pour surmonter cet écueil, on a généralement recours à des modèles qui permettent de réduire le nombre de degrés de liberté du problème. Nous avons utilisé une approche traditionnelle, de type champ moyen avec viscosité turbulente, pour identifier les phénomènes physiques directeurs de la formation du système solaire externe. En utilisant le fractionnement isotopique du rapport D/H entre l'eau et l'hydrogène moléculaire, nous avons déterminé avec précision les conditions thermodynamiques sous-jacentes à la formation des comètes et des planètes géantes. En particulier, nous avons pu reproduire les mesures actuelles sur la composition élémentaire des planètes géantes. Cependant, les objets du système solaire externe montrent une grande disparité de compositions qui semble être intimement liée aux fluctuations turbulentes dans la nébuleuse solaire primitive. Ces fluctuations étant explicitement evincées de l'approche traditionnelle, nous devons développer un modèle les prenant en compte. Les fondements théoriques d'un tel modèle ont été définis, puis appliqués à un écoulement cisaillé simple : l'écoulement de Couette plan.

La migration planétaire est un phénomène apparemment inévitable lors de la formation des planètes dans les disques protoplanétaires. Les interactions gravitationnelles entre les embryons de planète et le disque de gaz font décroître le moment cinétique de l'embryon, qui spirale vers l'étoile centrale. Le temps de migration étant plus court que la durée de vie du disque, aucune planète ne devrait survivre (chapitres 1 et 2). Dans cette thèse, nous essayons de trouver des mécanismes qui empêchent ou ralentissent la migration.<br /><br />Dans le chapitre 3, nous montrons qu'un saut dans le profil de densité du disque de gaz bloque la migration et agit comme un piège à planète. Ainsi bloqué, un coeur solide massif peut accrèter une atmosphère gazeuse et devenir une planète géante. La planète est alors assez massive pour repousser le gaz et ouvrir un sillon autour de son orbite. En analysant des simulations numériques, nous mettons en évidence le rôle des effets de pression dans ce processus dans le chapitre 4 ; un nouveau critère unifié d'ouverture du sillon en découle. Après la présentation dans le chapitre 5 d'un nouvel algorithme fiable et performant pour réaliser des simulations numériques, nous l'utilisons dans le chapitre 6 pour étudier la migration d'une planète géante et son impact sur l'évolution du disque. La formation d'une cavité s'avère moins facile que prévu, mais une possibilité d'arrêter la migration apparaît. Enfin, dans le chapitre 7, nous étudions le cas de Jupiter et Saturne, et trouvons dans quelles conditions les interactions entre les deux planètes en empêchent la migration.

Dans le cadre des futures missions d'exploration planétaire comportant un atterrissage, la sélection d'un site d'atterrissage sécuritaire en temps réel devient une technologie de plus en plus recherchée. Celle-ci permet d'augmenter les retombées scientifiques de la mission en donnant accès à des régions à plus haut potentiel scientifique. Elle permet aussi d'accroître les chances de réussite de la mission et d'augmenter la charge utile des équipements en rendant l'atterrissage plus sécuritaire. Parmi les méthodes développées pour faire la sélection d'un site d'atterrissage, celle proposée par Andrew Johnson du Jet Propulsion Laboratory pour évaluer le degré de sécurité de sites d'atterrissage à partir d'images lidar prises pendant la descente s'avère très intéressante. Il utilise une technique nommée moindres carrées médians pour calculer la pente et la rugosité des sites d'atterrissage. Cependant, le temps de calcul exigé par cette approche la rend difficile à exécuter en temps réel. Ce mémoire de maîtrise propose l'utilisation d'un système à base de RNA (réseaux de neurones artificiels) pour faire l'approximation de la méthode des moindres carrés médians. Une architecture comportant quatre RNA a été développée afin de déterminer la pente et la rugosité d'un site d'atterrissage. Trois RNA permettent d'évaluer les paramètres du plan médian afin d'estimer ces deux propriétés du terrain. Un réseau optionnel est spécialisé pour l'évaluation des sites comportant une grande rugosité. Des modules de prétraitement et post-traitement des données sont utilisés pour améliorer la performance des réseaux de neurones et des modules d'arbitrage servent à déterminer les deux sorties du système. Une solution est aussi proposée pour présélectionner une zone d'atterrissage sécuritaire afin de réduire le nombre de sites individuels à évaluer. Plusieurs types de réseaux de neurones ont été comparés pour résoudre la problématique. Des lignes directrices ont été établies permettant de choisir les réseaux de neurones les plus efficaces pour chacun des modules en fonction du temps de calcul disponible. Le système développé permet de diminuer considérablement le temps de calcul requis pour résoudre la problématique. De plus, la solution proposée peut facilement être adaptée en fonction des objectifs de la mission spatiale.

Au delà du système solaire et de ses planètes, nous avons maintenant un catalogue de quasiment 1000 exoplanètes qui illustrent la grande diversité des planètes et des systèmes qu'il est possible de former. Cette diversité est un défi que les modèles de formation planétaire tentent de relever. La migration de type 1 est un des mécanismes pour y parvenir. En fonction des propriétés du disque protoplanétaire, les planètes peuvent s'approcher ou s'éloigner de leur étoile. La grande variété des modèles de disques protoplanétaires permet d'obtenir une grande variété de systèmes planétaires, en accord avec la grande diversité que nous observons déjà pour l'échantillon limité qui nous est accessible. Grâce à des simulations numériques, j'ai pu montrer qu'au sein d'un même disque, il est possible de former des super-Terres ou des noyaux de planètes géantes selon l'histoire de migration d'une population d'embryons.

Au delà du système solaire et de ses planètes, nous avons maintenant un catalogue de quasiment 1000 exoplanètes qui illustrent la grande diversité des planètes et des systèmes qu'il est possible de former. Cette diversité est un défi que les modèles de formation planétaire tentent de relever. La migration de type 1 est un des mécanismes pour y parvenir. En fonction des propriétés du disque protoplanétaire, les planètes peuvent s'approcher ou s'éloigner de leur étoile. La grande variété des modèles de disques protoplanétaires permet d'obtenir une grande variété de systèmes planétaires, en accord avec la grande diversité que nous observons déjà pour l'échantillon limité qui nous est accessible. Grâce à des simulations numériques, j'ai pu montrer qu'au sein d'un même disque, il est possible de former des super-Terres ou des noyaux de planètes géantes selon l'histoire de migration d'une population d'embryons. / In addition to the Solar System and its planets, we now have a database of nearly 1000 planets that emphasize the huge diversity of planets and systems that can be formed. This diversity is a challenge for planetary formation models. Type I migration is one of the mechanisms possible to explain this diversity. Depending on disc properties, planets can migrate inward or outward with respect to their host star. The huge parameter space of protoplanetary disc models can form a huge diversity of planetary systems, in agreement with the diversity observed in the nonetheless small sample accessible to us. Thanks to numerical simulations, I showed that within the same disc, it is possible to form super-Earths or giant planet cores, depending on the migration history of an initial population of embryos.

La spectroscopie Doppler a conduit à la découverte de la plupart des 500 exoplanètes connues à ce jour. En améliorant la précision des mesures de vitesse radiale, on révèle différentes populations de planètes de masses et de rayons plus faibles et/ou plus éloignées de leur étoile. Cette thèse examine les différentes causes de variations des mesures de vitesse radiale de façon d'une part à améliorer la précision des mesures et d'autre part à détecter et caractériser des exoplanètes. Tout d'abord, je détermine et propose des corrections aux limitations instrumentales du spectrographe à haute-résolution SOPHIE; les effets en vitesse radiale pouvant provenir de la réduction des données comme du matériel (correcteurs de dispersion atmosphérique, stabilité de l'illumination du spectrographe). La variabilité des étoiles est aussi une source importante de bruit. Des indices spectroscopiques et des simulations sont étudiés dans une deuxième partie afin de repérer, caractériser puis soustraire les effets de l'activité stellaire photosphérique. Dans un troisième temps, je décris l'analyse des mesures de vitesse radiale qui a conduit à la détection de plusieurs planètes dans le cadre des programmes de recherche du Consortium SOPHIE. Les paramètres de ces systèmes sont discutés en regard de ceux des planètes connues ainsi que leurs apports pour les scénarios théoriques de formation et d'évolution des exoplanètes. La spectroscopie Doppler est aussi utilisée pour caractériser les planètes en transit. Dans une dernière partie, on aborde le suivi en vitesse radiale des détections par transit, la mesure de l'effet Rossiter-MacLaughlin et la recherche de composants atmosphériques.

Les astéroïdes Cérès et Vesta ont motivé la mission spatiale Dawn parce qu'ils représentent deux embryons planétaires différents restés relativement intacts depuis leur formation. Vesta est large- ment considéré comme le corps parent des météorites HED témoins d'une activité magmatique probablement due à la présence de l'isotope radioactif 26Al qui était suffisamment abondant pour permettre la fusion interne des corps rocheux primitifs. La composition d'une surface planétaire peut être mesurée grâce à l'analyse des rayons gammas qu'elle produit. Pour la sonde Dawn cela est rendu possible par l'instrument GRaND et la scintillation d'un cristal de BGO. Cette thèse présente l'analyse des spectres gammas de Vesta par deux outils de séparation aveugle de source: l'analyse en composantes indépendantes (ICA) et la factorisation en matrice non-négative (NMF). Ces méthodes sont aussi appliquées à un jeu de données lunaire comparable et déjà bien interprété. Des spectres synthétiques lunaires permettent de tester ICA et NMF. La séparation de spectres élémentaires s'avère délicate même si on peut distinguer les éléments K, Th et Fe en raison des propriétés statistiques de leur signaux sources plus favorables. On mesure la sensibilité d'ICA-NMF à la variabilité chimique de la surface pour des Lunes artificielles, ce qui permet d'expliquer l'absence de séparation d'un signal élémentaire clair dans le cas de Vesta. Malgré les observations de la sonde Dawn et le nombre important d'informations fournies par les HED, il n'y a pas de consensus sur la formation des HED. On met souvent en avant l'existence d'un océan magmatique global sur Vesta, alors que la migration de la principale source chaleur, contenue dans le premier minéral fondu, le plagioclase, ne permet pas la fusion totale. On met en oeuvre un modèle de migration des magmas, basé sur les équations de la compaction. On adapte ce modèle en utilisant un diagramme d'équilibre de phase olivine-anorthite-quartz. Cela permet de calculer l'évolution de la minéralogie en fonction du temps et de la profondeur. Les résultats montrent que les eucrites et les diogénites pourraient être une caractéristique commune des gros corps accrétés tôt dans l'histoire du système solaire. / Asteroids Vesta and Ceres motivated the space mission Dawn because they represent two different planetary embryos that remained relatively intact since their formation. Vesta is broadly considered as the parent body of the HED meteorites suite that are witnesses of a magmatic activity probably due to the presence of the radioactive isotope 26 Al which was present in significant amount to cause internal melting of primitive rocky bodies. The composition of a planetary surface can be quantified through the analysis of the gamma rays it produces. This is made possible for the Dawn spacecraft by the instrument GRaND and the scintillation of a BGO crystal. This thesis presents the analysis of gamma ray spectra from Vesta by two blind source separation methods: the independent component analysis and the non negative matrix factorization. These methods are also applied to an equivalent lunar dataset already well interpreted. Lunar synthetic spectra are used to test ICA and NMF. The separation of elementary spectra is delicate although K, Th and Fe can be discriminated due to the more favorable statistical properties of their source signals. The sensitivity of separation to the chemical variability is assessed based on artificial lunar spectra, which allows to explain the lack of separation of a clear elemental signal in the case of Vesta. Despite the observations of Dawn and the important collection of HED data, there is no consensus on the conditions of the vestan magmatism. A global magma ocean is often put forward, whereas the migration of the heat source, contained in the easiest mineral to melt, plagioclase, does not allow it. A model of melt migration is implemented, based on two-phase flow equations. This model is combined with the olivine-anorthite-quartz equilibrium phase diagram. This allows to predict the mineralogy as a function of depth and time. Results obtained show that eucrites and diogenites may be a common feature of large bodies accreted early in solar system history.

La détection récente des exoplanètes a fourni un formidable laboratoire d'expérimentation des théories de formation et d'évolution planétaire. Un résultat troublant est la proportion de planètes géantes situées plus près de leur étoile que ne l'est Mercure de notre Soleil! Si, comme il est admis, ces planètes se sont formées à plus grande distance de l'étoile dans le disque protoplanétaire, il reste à expliquer comment elles ont pu s'en rapprocher. Remarquablement, une telle théorie est apparue bien avant la découverte de la première exoplanète. Elle explique que sous l'interaction avec le disque protoplanétaire, les planètes se rapprochent de leur étoile en spiralant. On parle de migration planétaire. De nombreuses études ont montré que le temps de migration des planètes de faible masse est bien plus court que le temps de dissipation du disque. Toutes les planètes devraient avoir migré jusqu'à leur étoile! Ce qui est déjà remis en cause par notre Système Solaire. Afin d'inscrire la migration planétaire dans un scénario prédictif de formation et d'évolution planétaire, il est primordial d'affiner notre compréhension de l'interaction disque-planète. La prise en compte de l'auto-gravité du disque est un exemple de progrès en ce sens. Je montre que négliger l'auto-gravité conduit à surestimer significativement le couple différentiel de Lindblad. Une autre branche explorée dans cette thèse est l'impact des processus thermiques sur la migration. Je montre que l'évolution thermodynamique du disque génère une contribution supplémentaire au couple de corotation, capable de ralentir considérablement, voire de renverser, la migration des planètes de faible masse.

Cette thèse porte sur la caractérisation et l'analyse des sources de pollution avec les données aéroportées MOZAIC pendant la canicule européenne de l'été 2003. L'étude d'un tel événement extrème est nécessaire car sa fréquence est suceptible d'augmenter dans un contexte de changement climatique. L'apport des données MOZAIC avec de fréquents profils verticaux sur Francfort, Vienne et Paris, permet de caractériser et quantifier la dimension verticale des anomalies de polluants (ozone, monoxyde de carbone CO, oxydes d'azote) par rapport à une climatologie établie sur près de 11 ans. L'étude sur les conditions synoptiques de formation de la canicule identifie les facteurs favorables à la pollution et établit l'importance du développement intense de la couche limite planétaire. Dans une deuxième partie, une approche lagrangienne est utilisée pour estimer les importances respectives de différentes sources d'émissions primaires de CO vis-à-vis des observations MOZAIC : émissions anthropiques européennes et nord-américaines, et émissions par les feux de biomasse sur le Portugal. Dans une troisième partie, le modèle de chimie-transport global GEOS-Chem est utilisé pour étudier plus en détails certains processus importants lors de l'épisode (dépôt sec, émissions biogéniques). Une évaluation des simulations est d'abord menée avec les données MOZAIC puis des tests de sensibilité sont ensuite exploités pour montrer l'importance des processus de couplage sol-végétation-atmosphère et l'importance du transport depuis le Portugal des panaches des feux de biomasse documentés avec un cadastre d'émissions journalier.

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.