Mon travail de thèse a porté sur la simulation numérique du comportement dynamique de poussières et de petits corps autour d’étoiles, appliqué à deux grands domaines de localisation : les disques de débris et les exozodis.Concernant les disques de débris, je me suis plus particulièrement intéressé aux arches mouvantes observées sur une période de 15 ans au sein du disque d’AU Mic. En supposant qu’elles proviennent toutes d’un corps parent unique et que les grains composant les arches ont la même dynamique que les arches elles-mêmes, j’ai montré que le corps parent doit être plus interne que la ceinture de planétésimaux (<25 UA) et qu’il peut être sur une orbite circulaire ou fixe par rapport à l’observateur. Afin d’expliquer la vitesse apparente des arches, il est nécessaire que les grains les composant soient submicrométriques pour être suffisamment sensibles à la pression du vent stellaire. Le champ magnétique à grande échelle de cette étoile est suffisant pour expliquer l’élévation verticale des arches, mais l’interaction des grains avec ce champ nécessite des études plus approfondies.D’autre part, j’ai développé un code numérique permettant de tester l’origine dynamique des poussières constituant les exozodis, en comparant les résultats de mes simulations aux observations. J‘ai montré que le scénario classique de migration par PR-drag de grains provenant d’une ceinture externe froide produit trop de flux dans le moyen infrarouge en regard du proche infrarouge, et cet effet n’est pas suffisamment contrebalancé par l’accumulation proche de la distance de sublimation. En revanche, le scénario cométaire, avec un apport de matière au plus près de l’étoile, permet de modérer le flux en moyen infrarouge. Les observations peuvent être reproduites avec une dizaine de comètes kilométriques autour de chaque étoile. Le code que j’ai conçu est capable d’appréhender de nombreux effets physiques, et il est possible de tester l’influence du DDE, de la pression du vent stellaire ou encore du champ magnétique.Par mon travail, j’ai montré que la prise en compte de la dynamique des grains de poussière permet de contraindre les propriétés physiques des grains, et j’ai développé des outils numériques adaptables à de nombreux cas de figures afin de pouvoir caractériser la diversité et la complexité de la poussière observée autour des étoiles. / During my thesis, I numerically simulated the dynamical behaviour of dust and small grains around stars, applied to two ranges of stellar distance : debris disks and exozodis.Concerning debris disks, I focused on the fast moving arch-like structures observed over 15 years inside the disk of AU Mic. Supposing that they all come from a single parent body and that the dust composing the arches have the same dynamics, I showed that the parent body must be closer-in than the planetesimal belt (<25 au), on a circular orbit or static with respect to the observer. Grains must be submicronic in order to explain the apparent velocity of the arches, gained by means of stellar wind pressure. Large-scale magnetic field of the star is large enough to explain the vertical extent of the arches, but require further investigations.I also developped a numerical code in order to test the dynamical origin of dust composing exozodis, to compare its results to the observations. I showed that the classical PR-drag scenario involving grains drifting inward from a distant cold parent belt produce an excess flux in mid-infrared compared to the near-infrared, unbalanced by the pile-up. The cometary scenario, by producing dust very close to the star, emits less in mid-infrared. A ten of kilometric comets can reproduce the flux levels observed around all stars. This numerical code is also able to handle the DDE, the stellar wind pressure or the magnetic field.During my work, I showed that taking into account the dust dynamics can constrain the dust physical properties. I developped adaptative numerical tools that can handle the variety and complexity of dust observed around stars.

Cette thèse est dédiée à l'étude de la polarisation de la poussière interstellaire et est principalement basée sur l'analyse des données du satellite Planck. Tout d'abord, nous caractérisons le biais sur les paramètres de polarisation déduits des données. Nous avons mis en évidence que ce biais dépend non seulement du niveau de bruit, mais également de la corrélation entre les bruits sur les paramètres de Stokes. Nous avons développé des méthodes optimisées d'estimation de la fraction de polarisation, de l'angle de polarisation et de la fonction de dispersion de l'angle de polarisation, qui tiennent compte de la forme des matrices de covariance du bruit. Nous avons montré pour la première fois que le comportement du biais sur la fonction de dispersion d'angle est non trivial, et nous avons proposé une méthode pour évaluer la limite supérieure du biais que nous avons appliqué aux données Planck de la bande à 353 GHz. Nous avons étudié la corrélation entre la fraction de polarisation et la fonction de dispersion d'angle, ainsi que la corrélation entre la fraction de polarisation et la densité de colonne de gaz, sur de grandes fractions du ciel. Ceci nous a permis de mettre en évidence que la structure à 3 dimensions du champ magnétique affecte fortement la fraction de polarisation observée. Lorsque la direction du champ magnétique change le long de la ligne de visée ou dans le faisceau du télescope, on observe que la fraction de polarisation diminue. Nous avons comparé ce résultat à des simulations numériques basées sur la MHD magnétohydrodynamique). Une dépendance similaire de la fraction de polarisation avec la géométrie du champ magnétique y est observée. La diminution de la fraction de polarisation avec la densité de colonne était observée dans les nuages moléculaires dans des études précédentes. Nous avons généralisé ce résultat comme étant également caractéristique du milieu diffus à grande échelle. En combinaison avec les résultats des simulations MHD où un comportement similaire est observé, ceci indique que la diminution de la fraction de polarisation est principalement due aux changements de direction du champ magnétique le long de la ligne de visée. Nous avons pour la première fois déterminé la limite inférieure de la fraction de polarisation maximale réelle bservée avec Planck. Cette limite pourrait correspondre au niveau de polarisation intrinsèque de la poussière interstellaire dans les conditions les plus favorables de la géométrie du champ magnétique. De plus, la comparaison entre la polarisation en émission et en extinction nous a permis d'établir le rapport entre la fraction de polarisation dans les domaines sub-millimétrique et visible. Ce résultat apporte une contrainte forte pour de futurs modèles de la poussière interstellaire. Enfin, nous avons effectué une étude préliminaire sur les propriétés en polarisation des associations de coeurs froid détectés avec Planck. Cette analyse statistique nous permet de confirmer la diminution de la fraction de polarisation dans ces milieux, par rapport à l'environnement local à grande échelle. Nous discutons son origine en termes de perte d'efficacité de l'alignement des grains dans ces associations de coeurs denses. / This thesis is dedicated to the study of Galactic dust polarization and is mostly based on the analysis of the Planck satellite data. First, we characterize the bias on polarization parameters which are derived from the measurements. We have evidenced that it depends not only on the noise level but also on the noise correlation between the Stokes parameters. We have developed optimized methods to estimate the polarization fraction, angle and angle dispersion function, that take into account the shape of the noise covariance matrices. The peculiarity of the bias on the polarization angle dispersion function is shown for the first time, and a method for the evaluation of the upper limit on the bias is proposed and applied to the Planck 353 GHz data. We study the correlation between the polarization fraction and the polarization angle dispersion function, and also the correlation between the polarization fraction and the gas column density, over large fractions of the sky. As a result, we show that the three-dimensional structure of the magnetic field highly affects the observed polarization fraction. When the magnetic field direction changes along the line of sight or within the telescope beam, the observed polarization decreases. We observe a similar dependance of the polarization fraction with the magnetic field geometry in MHD (magnetohydrodynamics) simulations. We have evidenced the systematic decrease of the polarization fraction with column density, previously observed only in dense molecular clouds, to be general also at large scales and in the diffuse ISM. In combination with the results from MHD simulations, where a similar behavior is observed, this observational fact indicates that the decrease in the polarization fraction is mostly due to the magnetic field tangling along the line of sight. We derive for the first time the lower limit of the maximum polarization fraction observed with Planck, which could correspond to the dust intrinsic polarization fraction when the field geometry is most favorable. In addition, comparing polarization in emission with Planck and in extinction from stars observations, we find a high sub-millimeter to visible polarization fraction ratio, which will be a strong constraint for future dust models. Finally, we have performed a preliminary study on the polarization properties of Galactic cold clumps detected with Planck. This statistical analysis allows us to confirm the existence of a significant drop of the polarization fraction in the clumps, relatively to the local large scale environment. We discuss its origin in terms of efficiency loss of grain alignment in these dense clumps.

Les aérosols troposphériques influencent la composition chimique de l’atmosphère, le bilan radiatif terrestre et le climat. Après formation, les aérosols subissent des processus de vieillissement altérant leurs propriétés microphysiques et chimiques. L’étude de l’impact environnemental des aérosols à différentes échelles spatio-temporelles doit donc tenir compte des transformations physico-chimiques. Les objectifs poursuivis sont : (i) d’étudier par microscopie analytique électronique à balayage et en transmission la composition élémentaire et l'état de mélange des particules atmosphériques prélevées lors d'épisodes de charge élevée en aérosol ; (ii) d’analyser les effets des propriétés microphysiques sur les caractéristiques optiques mesurées et restituées par télédétection ; (iii) de proposer un paramétrage ainsi qu’une représentation de la composition et de la structure des particules dans les algorithmes de télédétection. Ces travaux portent sur des observations dans le Nord de la France et en Afrique de l’Ouest (Sénégal) dans le cadre du Labex CaPPA et des campagnes de terrain SHADOW. Sont inclues des analyses complémentaires de la composition chimique et de la structure de particules individuelles, de mesures in situ et par télédétection de particules urbano-industrielles, désertiques et de biomasse prélevées en surface et à différentes altitudes. Une série de simulations numériques ont été utilisées dans le but d'analyser la sensibilité des observations par télédétection à l’état de mélange des aérosols. Enfin, l'intégration d'un paramétrage de la structure en "core-shell" des particules dans les algorithmes de restitution est présentée en perspective. / Tropospheric aerosols play an important role in atmospheric chemistry, Earth’s radiative budget and climate. After their generation, aerosol can suffer ageing processes and altering their physicochemical properties. An accurate accounting for these processes requires observations of the aerosol properties on different temporal and spatial scales. The current thesis work is dedicated to: (i) study of physicochemical properties and mixing state of individual particles by means of analytical scanning and transmission electron microscopy for aerosols collected during episodes of elevated aerosol loading; (ii) analysis of the effect of microphysical properties on optical characteristics as measured and retrieved by remote sensing; and (iii) investigation of possible parameterization of aerosol composition and structure in remote sensing algorithms. The work presents observations conducted in northern France and western Africa (Senegal) as part of Labex CaPPA project and SHADOW field campaigns. It includes simultaneous analyses of collected individual particles composition and structure, remote sensing and in situ observations of urban/industrial, Saharan dust and biomass burning particles near the surface and on different altitudes. A series of numerical simulation devoted to an analysis of sensitivity of remote sensing observations to aerosol mixing state is conducted. Insights on possible parameterization of aerosol core-shell structure in retrieval algorithms are finally presented.

Les risques liés aux explosions de poussières, de par leur fréquence et leur gravité, sont élevés. Nous avons donc essayé de comprendre ce phénomène par le biais d’une étude paramétrique sur l’inflammabilité (concentration, température et énergie minimales d’inflammation) et l’explosivité des poussières (surpression maximale et vitesse de montée en pression) vis-à-vis de poussières aussi bien métalliques (aluminium) qu’organiques (sucre glace et polyéthylène). Les influences de la concentration, la granulométrie, la teneur en eau et en solvant (mélanges hybrides) sur la sensibilité et la sévérité des explosions de poussière ont été étudiées. Nous avons par exemple mis en évidence un accroissement de l’explosivité des poussières en présence de solvant. Ces études paramétriques ont permis d’initier une modélisation de l’explosion poussière en reliant la cinétique de combustion à la violence des explosions / Dust explosions risks linked with their occurrence and their gravity are very high. In consequence, we try to understand this phenomenon by studying the influence of various parameters on the dust inflammability (minimum inflammation concentration, temperature and energy) and dust explosivity (maximum overpressure and rate of pressure rise) for both metallic (aluminium) and organic (icing sugar and polyethylene) dusts. Concentration, particle size distribution, water and solvent (hybrid mixtures) contents influences on dust explosion sensibility and severity have been studied. For example, we observed an increase of dust explosivity in the presence of solvent. Thanks to these parametric studies, we initiated a dust explosion modelling by linking combustion kinetic and explosion violence

Après avoir rappelé quelques définitions et résultats concernant<br />l'atténuation du flux lumineux d'une source éloignée due à la poussière dans notre Galaxie et dans des galaxies proches (phénomène physique appelé « extinction »), nous décrivons brièvement le phénomène de mirage gravitationnel ainsi que les<br />processus physiques pouvant affecter la photométrie observée des images multiples d'un quasar distant.<br /><br />Nous présentons ensuite une méthode originale pour estimer le décalage vers le rouge (le « redshift ») du déflecteur (la « galaxie lentille ») d'un mirage gravitationnel. Cette méthode se base sur les effets causés par l'extinction de la lumière par la poussière interstellaire au sein de la lentille.<br /><br />Après une présentation de la méthode et quelques considérations<br />préalables, des simulations numériques sont effectuées pour tester<br />la méthode et calculer sa précision. La méthode est ensuite appliquée à des données réelles.<br /><br />Par la suite, nous tentons d'extraire la loi d'extinction de la galaxie lentille à partir des spectres des images multiples de la source d'arrière-plan.<br /><br />Enfin, nous utilisons la technique de l'analyse en composantes principales pour classifier une loi d'extinction parmi une collection de lois d'extinction connues. À nouveau, après une rapide présentation de l'analyse en composantes principales et de son application aux lois d'extinction, des simulations numériques sont utilisées pour évaluer la fiabilité de la méthode, laquelle est également appliquée à un cas réel.

Cette thèse est consacrée à l'étude de la structure, de la composition et de l'évolution physico-chimique de la poussière interstellaire riche en oxygène (silicates et oxydes). Ce travail s'appuie sur les données spectroscopiques infrarouges (2-200 µm) du satellite ISO (Infrared Space Observatory). L'interprétation des données est effectuée par la modélisation des objets étudiés ainsi que par une approche expérimentale visant à simuler la poussière cosmique et les divers processus physiques auxquels elle est soumise dans le Milieu Interstellaire (MIS). La poussière silicatée est formée dans les enveloppes entourant les étoiles en fin de vie riches en oxygène (étoiles AGB). Sous l'action des vents stellaires, elle est injectée dans le MIS dans lequel elle réside la majeur partie de sa vie. Elle est finalement détruite dans le MIS ou incorporée, lors de l'effondrement gravitationnel de nuages moléculaires, dans de nouvelles étoiles et systèmes (proto-) planétaires. L'étude détaillée de la poussière silicatée à sa formation, autour des étoiles évoluées, et à la fin de son évolution, autour des objets protostellaires montre que sa composition et sa structure sont différentes au début et à la fin de son cycle d'évolution. En effet, les silicates nouvellement formées sont principalement composés d'olivine amorphe et de 20 à 25 % de silicates cristallins alors qu'autour des protoétoiles, les grains silicatés sont poreux et composés de pyroxènes et d'aluminosilicates amorphes (à plus de 90 %) ainsi que d'oxyde de fer. La disparition des silicates cristallins et le changement de composition olivine --> pyroxène mis en évidence pourraient être dus, comme le montre les expériences de simulations d'irradiation d'olivine cristalline par des ions He+ de 4 et 10 keV, à l'irradiation des grains par des ions légers accélérés dans les chocs se propageant dans le MIS à la suite de l'explosion de supernovae.

De par l'influence radiative globale et permanente des poussières en suspension, la caractérisation microphysique de l'atmosphère martienne est un enjeu scientifique majeur. De plus, malgré un contenu humide restreint, des nuages de glace d'eau similaires aux cirrus terrestres se forment régulièrement. Au cours de cette thèse, le développement d'un modèle de microphysique a permis d'étudier la nature du couplage entre poussières, cristaux et vapeur d'eau. Essentiellement axés sur la structure verticale des brumes martiennes, nos travaux ont permis d'interpréter un jeu de données photométriques ayant abouti sur une estimation de la granulométrie de la poussière et des cristaux de glace. La conclusion de cette étude remet en cause le type de fonction jusqu'alors employée pour décrire le spectre en taille de la poussière, une hypothèse étayée par la structure des spectres de poussière observée dans les déserts sahariens. Par ailleurs, nous avons pu effectuer une analyse approfondie de l'impact de la nébulosité sur le cycle hydrologique martien. Notre introduction d'un schéma de nuages simplifié au sein d'un modèle de circulation générale a permis de quantifier le rôle considérable du transport de la glace atmosphérique sur la distribution géographique de l'eau. Cette étude s'inscrit dans la volonté actuelle de comprendre l'évolution de l'eau sur Mars. Liée à cette thématique, l'étude du cycle du deutérium est primordiale pour estimer la quantité d'eau s'étant échappée vers l'espace par le passé. Ce cycle est en partie contrôlé par un effet de fractionnement se produisant au sein des nuages qu'il nous a été possible d'étudier grâce à notre modèle microphysique. Nos résultats permettent de mieux comprendre la faible concentration en deutérium de la haute atmosphère dont l'observation a longtemps posé problème aux études théoriques passées.

L'objectif de ce travail est d'étudier l'usinabilité des CMMp comme matériau de structure en substitution aux alliages réfractaires et de comprendre les mécanismes générateurs de poussière inhérents à leur usinage à sec. Les différents niveaux de chargement en céramique du CMM (5, 15, 25, 35 % de SiCp) ainsi que la variété d'outils PCD et des revêtements diamants nanostructurés étudiés, a permis d'évaluer dans un premier temps le choix structurel d'outillages en liaison avec la faisabilité industrielle de leur usage en usinage grande vitesse à sec d'un CMM Al/SiC. L'étude de faisabilité et la préconisation d'outillages ont été effectuées en prenant en compte des critères énergétiques et de qualité structurelle et environnementale. Les modes d'endommagement ainsi que les performances d'outils coupants ont été observés et analysés lors d'essais d'usure accélérée et de durabilité. La présence d'une usure adhésive suivie d'un mode abrasif de consommation d'interface accroit l'importance de la structure de l'outil (homogénéité, multiplicité des interfaces

Les îles des archipels des Bermudes et des Bahamas sont caractérisées par l'alternance de dépôts carbonatés et de paléosols. L'origine de ces formations a été rapportée à l'accumulation puis à l'altération des poussières sahariennes. La minéralogie des paléosols des Bermudes est composée de carbonates, de minéraux argileux, de minéraux phosphatés et d'oxydes et hydroxydes de fer et d'aluminium. Le cortège argileux est composé de kaolinite, de chlorite et d'interstratifiés chlorite/vermiculite. Son analyse montre que le matériel à l'origine des paléosols provient de l'édifice volcanique sous jacent. L'apport volcanique est renforcé lors des périodes de bas niveau marin. Le matériel est soufflé sur l'île où il subit alors l'altération pédologique. Le taux d'accumulation du matériel volcanique était probablement supérieur au taux d'altération par pédogenèse. Le flux de particules atmosphériques d'origine saharienne demeure invisible. La minéralogie des paléosols d'Eleuthera (Bahamas) est dominée par les carbonates. Les formations récentes contiennent de la kutnahorite ; les formations anciennes contiennent de l'hydrotalcite. L'étude comparative des paléosols de San Salvador et d'Eleuthera montre que l'évolution des unités pédologiques est liée à leur capacité à lessiver leur contenu carbonaté. Ce facteur est contrôlé par la structure de la plate-forme sous-jacente ou par la nature du substratum. Le cortège argileux des paléosols et des forages marins des Bahamas présente une forte teneur en illite qui traduit l'importante des apports nord sahariens alors que sa teneur élevée en chlorite illustre l'existence d'une composante nord-américaine.

Un échantillon de 69 galaxies spirales proches a été étudié à travers l'émission de la poussière, observée par la caméra ISOCAM entre 5 et 18 microns. Les cartes complètes dans deux filtres larges, permettant une étude morphologique, ainsi que cinq spectres à basse résolution, utiles pour identifier et séparer les différentes composantes d'émission, ont été analysés. Des régions circumnucléaires de 1 à 4 kpc de diamètre, où le régime de chauffage de la poussière est distinct de celui des disques, ont été isolées.<br /><br />La validité de l'émission en infrarouge moyen en tant que traceur de la formation d'étoiles a d'abord été examinée dans les disques, où une seule phase de poussière domine (les porteurs des bandes aromatiques), puis cette étude a été étendue aux régions<br />circumnucléaires, plus denses et actives, ainsi qu'à des galaxies à flambée de formation d'étoiles, où un continuum thermique se superpose aux bandes aromatiques. La réponse de la poussière à la formation d'étoiles a été explorée sur cinq ordres de grandeur.<br /><br />Par ailleurs, les propriétés des galaxies fortement barrées ont été comparées à celles des galaxies faiblement ou non barrées, et interprétées dans le cadre des modèles hydrodynamiques, qui prévoient qu'un potentiel gravitationnel barré peut induire des écoulements de gaz massifs vers les régions centrales, avec des conséquences indirectes sur l'activité stellaire et l'évolution morphologique des galaxies isolées. Au cours de cette étude, quelques paramètres régulant les variations des couleurs en infrarouge moyen ont été mis en relief.