Une des frontières actuelles de la cosmologie observationnelle est celle de la réionisation, époque au cours de laquelle la formation des premières étoiles et galaxies a marqué la fin des « Âges Sombres » et la réionisation du milieu intergalactique. La nature et l'époque de formation de ces sources sont encore mal déterminées, et constituent les éléments clé pour un grand nombre de futurs projets instrumentaux (JWST, EMIR/GTC, KMOS/VLT, ...) dont les développements font l'objet d'études de faisabilité poussées.<br /><br />Ce travail de thèse regroupe différents programmes visant à contraindre les propriétés physiques des objets astrophysiques parmi les plus distants connus. Les contraintes sur la détection et l'étude de telles sources à l'aide des instruments actuels ont amené à l'utilisation des amas de galaxies comme lentilles gravitationnelles, pour bénéficier de l'effet d'amplification.<br /><br />Une première partie introduit les différentes notions associées à ce sujet de thèse : le contexte cosmologique, les propriétés de l'Univers distant et les lentilles gravitationnelles. Sont ensuite présentés les trois principaux projets observationnels sur lesquels se fonde ce travail : <br /><br />· Une recherche d'émetteurs Lyman-alpha par de la spectroscopie systématique au sein des régions les plus amplifiées d'un ensemble d'amas de galaxies. L'échantillon de sources obtenu permet de contraindre la fonction de luminosité Lyman-alpha à des luminosités bien plus faibles que d'autres projets du même type.<br />· Une étude détaillée d'une galaxie très distante observée par les télescopes spatiaux HST et Spitzer. Les propriétés photométriques de cette source suggèrent la présence d'une population stellaire relativement évoluée à cette époque. <br />· Un projet de recherche photométrique dans le proche-infrarouge d'objets très distants, effectué à l'aide du VLT. L'accent est porté sur les détails de l'analyse photométrique et les résultat spectroscopiques obtenus pour plusieurs candidats. L'échantillon étudié dans son ensemble permet de donner des contraintes sur la fonction de luminosité dans l'ultraviolet et le taux de formation stellaire à cette époque.<br /><br />L'ensemble de ces résultats apporte des éléments complémentaires pour une description plus générale de l'époque de la réionisation, que l'on peut confronter aux prédictions des modèles théoriques.<br />Enfin, une dernière partie présente les perspectives de ce travail de thèse et les futurs projets instrumentaux attendus dans ce domaine de recherche.

Ce travail de thèse repose sur l'analyse de trios projets observationnels destines à la détection et l'étude de sources astrophysiques extrêmement distantes. Les champs considérés ont été centrés sur des amas de galaxies utilisés comme télescopes gravitationnels, permettant ainsi de bénéficier de l'effet d'amplification. Après avoir introduit le contexte cosmologique de cette thèse et l'effet de lentille gravitationnelle, je présente tout d'abord une recherche d'émetteurs Lyman-a par de la spectroscopie des régions les plus amplifiées d'un ensemble d'amas. Je décris ensuite l'étude du cas particulier d'une galaxie à z~7 observée par HST et Spitzer, pour laquelle nous avons dérivé des contraintes sur les propriétés physiques. Enfin, je donne les résultats d'un projet de recherche effectué à l'aide du télescope VLT. Il est possible d'obtenir des contraintes sur la fonction de luminosité UV et le taux de formation stellaire à très grand z.

Cette thèse s'inscrit dans le domaine d'étude de l'Univers lointain, en particulier sur l'étude d'une période méconnue de notre Univers à savoir « la ré-ionisation ». Le choix de la sonde utilisée pour l'étude d'un Univers aussi lointain est quelque peu restreint. En effet il faut que la sonde soit visible à cette grande distance et donc que ce soit un objet extrêmement lumineux. Ainsi on se sert de galaxies très énergétiques avec un noyau galactique actif (appelées quasars) en tant que sonde. En étudiant le rayonnement de ces quasars on pourra alors caractériser l'environnement qui les entoure. Ces quasars étant des objets rares, il nous faut rechercher sur une grande surface du ciel pour espérer en obtenir quelques uns. Il existe beaucoup de projets d'observation dédiés à la cosmologie, un des futurs projets majeurs nommé Euclid sera un grand pas pour l'étude de la ré-ionisation. Ce futur satellite de l'ESA (lancement prévu en 2020) sera particulièrement performant dans l'infrarouge, permettant ainsi de détecter des quasars à des distances actuellement insondées. Afin de pouvoir bien préparer cette mission il nous faut établir et anticiper les performances attendues d'Euclid. Pour ce faire, il faut mener une étude similaire sur des données existantes puis extrapoler la performance d'Euclid. Pour ce faire, durant ma thèse, j'ai utilisé des données issues du télescope terrestre du CFHT (Canada France Hawaii Telescope) situé à hawaii au mont Mauna Kea. / The main topic of this thesis is the study of the distant Universe, particularly the study of a quite unknown period of our Universe namely "reionization." The probe's choice used in the study of a universe so far is somewhat restricted. Indeed it is necessary that the probe be visible at this distance and therefore the probe must be a very bright objet. Thus we used high-energy galaxies with an active galactic nuclei (called quasars) as a probe. By studying the emission of these quasars we can then characterize the environment around them. Because of the huge distance between us and the quasar and due to the expansion of the universe they have their light emissions shifted towards longer wavelengths. Thus, to study the young age of our universe, we need to observe objects in the infrared. These quasars are rare objects, we need to search over a large area of the sky to hope to get a few. There are many projects focused on observational cosmology, a future major project named Euclid will be a big step for the study of reionization. This future ESA satellite (launch planned in 2020) will be particularly effective in the infrared, thus allowing to detect quasars at distances currently unfathomed. In order to prepare this mission we must establish and predict the expected performance of Euclid. To do this, we must conduct a similar study on existing data and extrapolate the performance of Euclid. To do this, in my thesis, I used datas from the terrestrial telescope CFHT (Canada France Hawaii Telescope) located in hawaii at Mauna Kea.

Cette thèse est consacre à l'étude de la poussière et du gaz dans les quasars (QSO) grand décalage spectral à l'aide d'observations (sub)millimétrique et radio.<br /><br />Les relevés dans le continuum infrarouge et radio de QSO optiquement lumineux et radio faibles 1.96. La relation entre l'émission infrarouge et radio des galaxies locales est vérifiée pour les QSO grand z, indiquant que le chauffage dominant provient des étoiles massives nouvellement formées. Ces études ont mis en évidence une relation entre les activités du trou noir et de la formation stellaire. Les taux de formation stellaire très élevés (~1000Mo/yr) indiquent d'intenses flambées stellaires nécessitant dimportants réservoirs de gaz moléculaire.<br /><br />La détection de CO dans J1409+5628 z=2.56 est décrit en détail et une étude globale du gaz moléculaire des sources grand z est présentée. Dans quelques cas, la détection de plusieurs transitions de CO permet de contraindre les conditions physiques indiquant des températures de 60-100K, et des densités de 10^(3-4) cm-3, comparables M82 ou Arp220. Enfin, la détection de CI et de HCN est rapporte pour deux QSO grand z.<br /><br />Ces travaux ont permis de contraindre les conditions physiques dans les galaxies hôtes de QSO à grand z, parmi les objets les plus massifs formés dans l'Univers. Ces programmes exploratoires, qui ouvrent la voie l'étude du milieu interstellaire dans l'environnement extrème des premières galaxies, connaîtront leur plein essor avec la mise en opération du satellite Herschel et des interféromètres eVLA et ALMA.

La période de réionisation est une transition dans l'histoire de l'Univers qui change sont état d'ionisation. Les progrès en calcul intensif permettent maintenant de modéliser l'évolution du phénomène. D'habitude, les analyses se concentrent sur l'évolution de propriétés globales dans les simulations. Différemment, j'ai mis au point une nouvelle technique d'analyse de simulations qui permet d'appréhender le phémomène global de manière locale. Elle s'appuie sur l'extraction d'un arbre de fusion de régions HII pour caractériser le processus de réionisation. La technique a été appliqué dans plusieurs simulations où différents modèles de sources ont été considérés pour étudier leur impact sur la chrono-morphologie du processus. Dans un second temps, l’arbre a permis de caractériser l'histoire de réionisation passée de galaxies de types Voie Lactée. Enfin, la technique a été appliquée dans des simulations du Groupe Local pour quantifier l'histoire de réionisation de MW et M31. / The reionization period is a major step in the history of the Universe that change its ionization state. The increasing progress in high performance computing, allows us to model the phenomenon. Usually, the simulation analyses focus on global properties to constrain the impact of the physic put in the simulations. Alternately, I implemented a method of analysis that apprehend theglobal reionization in terms of multiple ‘local reionizations’. I extracted a merger tree of HII regions from the simulations to characterize the reionization process. I applied the technique in several cosmological simulations, where different ionizing source models were tested to investigate the impact of the source model on the reionization chrono-morphology. I also used the merger tree to characterize the past reionization history of MW type galaxies. I finally applied this methodology in Local Group simulations to quantify the reionization hystory of MW and M31.

Les simulations, de plus en plus, sont capables de saisir la complexité de l'époque de réionisation, durant laquelle l'hydrogène neutre de l'Univers a été ionisé par les premières sources lumineuses. Des bases de données représentatives de la multitude de signaux possibles seront nécessaires pour contraindre les paramètres des modèles quand des observations 21~cm seront disponibles. À cette fin, et en préparation des observations à venir sur des instruments comme SKA, nous avons développé une base de données de cones de lumières EoR haute-résolution (21ssd.obspm.fr), ainsi qu'une modélisation du bruit thermique. Nous avons également développé un formalisme permettant de quantifier la différence entre les modèles de cette base de données, en utilisant le spectre de puissance et la fonction de distribution des pixels. Nous trouvons que les deux diagnostiques sont sensibles à des paramètres différents des modèles, ce qui signifie que les deux peuvent être utilisés ensemble de manière complémentaire pour extraire l'information maximale. De plus, en utilisant le code 21cmFAST, nous avons développé des stratégies pour échantillonner l'espace des paramètres d'une manière optimale (plus homogène et isotrope), afin de fournir le meilleur point de départ entrainer un réseau de neurones. Ce réseau retrouve les paramètres du modèle en se basant sur une observable. Nous observons une amélioration modérée dans la précision de ses prédictions quand nous utilisons l'échantillonnage optimisé lors de son entrainement. / Simulations are increasingly able to capture the intricacies of the Epoch of Reionization, during which the neutral hydrogen in the Universe was ionized by the first luminous sources. Databases encompassing the range of possible signals will be needed to constrain parameter values when 21~cm observations are available. In preparation for upcoming experiments such as the SKA, we have developed a database of high-resolution EoR lightcones (21ssd.obspm.fr), along with realistic thermal noise modelling. We examine frameworks with which we can quantify the difference between entries in this database, specifically with the power spectrum and pixel distribution function. We find that the two diagnostics are sensitive to different parameters, meaning they can be used together to extract maximumal information. Then, using the 21cmFAST code, we explore how to optimally sample a parameter space (so that it is more homogeneous and isotropic), in order to provide the best set-up for parameter extraction. Finally, the improved sampling is used in training a neural network. The neural network uses observables as input data, and attempts to estimate the corresponding parameter values. When the optimal sampling is used as training data, we find that the neural network is able to estimate parameter values with a modest improvement in accuracy.

La période de réionisation est une transition dans l'histoire de l'Univers qui change sont état d'ionisation. Les progrès en calcul intensif permettent maintenant de modéliser l'évolution du phénomène. D'habitude, les analyses se concentrent sur l'évolution de propriétés globales dans les simulations. Différemment, j'ai mis au point une nouvelle technique d'analyse de simulations qui permet d'appréhender le phémomène global de manière locale. Elle s'appuie sur l'extraction d'un arbre de fusion de régions HII pour caractériser le processus de réionisation. La technique a été appliqué dans plusieurs simulations où différents modèles de sources ont été considérés pour étudier leur impact sur la chrono-morphologie du processus. Dans un second temps, l'arbre a permis de caractériser l'histoire de réionisation passée de galaxies de types Voie Lactée. Enfin, la technique a été appliquée dans des simulations du Groupe Local pour quantifier l'histoire de réionisation de MW et M31.

Le satellite Planck a été conçu pour mesurer de manière ultime les anisotropies primairesen température du fond diffus cosmologique (CMB), et améliorer les contraintes existantes sursa polarisation. La première partie de cette thèse s'inscrit dans le cadre du traitement des donnéesde l'instrument à haute fréquence de ce satellite. Les propriété statistiques du bruit sonttestée. Des effets systématiques dans l'estimateur du bruit sont ainsi détectés, et certains ontpu être corrigés. La sélection des données à projeter sur les cartes est ensuite présentée, ainsique la validation de la qualité de ces données. Cette sélection est finalement comparée à unesélection pour laquelle les critères sont beaucoup plus sévères, afin de vérifier que l'impactdes données imparfaites résiduelles est négligeable. Nous montrons que les données validéespour une utilisation scientifique répondent bien aux exigences de gaussianité et de stationnarité: des effets instrumentaux ne devraient pas induire de fausses conclusions cosmologiques.La seconde partie porte sur l'interprétation des données ainsi obtenues. Le modèle de concordanceest présenté, ainsi que les résultats rendus publiques par la collaboration Planck en 2013.La troisième partie est dédiée à deux études phénoménologiques concernant l'ionisation del'Univers. Premièrement, l'influence de l'annihilation de matière noire sur le spectre du CMBest étudiée : une méthode pour estimer l'impact de l'incertitude des canaux par lesquels sefont ces dépôts d'énergie est développée. Il ressort que les hypothèses sur la façon exacte dontl'énergie s'injecte dans le plasma ne sont pas cruciales pour retrouver les paramètres associée àl'annihilation. Deuxièmement, l'époque de la Réionisation et son rôle dans le spectre du CMBest présentée, avec l'analyse d'une paramétrisation de la fraction d'ionisation. Nous montronsla fiabilité des différents algorithmes dans le cas où la fraction d'ionisation est constante parmorceaux, c'est-à-dire même en présence de fortes discontinuités.

L’époque de réionisation (EoR) est une phase de grands changements qu’a subit l’Univers dans son premier milliard d’années. Suite à l’apparition des premières étoiles et à l’émission de photons énergétique par ces dernières, l’hydrogène a été réionisé. Cette transition a eu un impact sur la formation des galaxies. J’ai activement participé au développement d’EMMA, un code de simulation numérique ayant pour objectif d’étudier les processus à l’œuvre durant l’EoR. J’ai développé et implémenté un modèle de formation et d’évolution stellaire. Ces travaux ont contribué à la réalisation d’une simulation dédiée à l’étude de l’EoR parmi les plus grosses réalisées à l’heure actuelle. J’ai contribué au développement d’outils dédiés à l’exploration de simulations de ce type. J’ai étudié la façon dont le rayonnement s’échappe des galaxies en fonction des paramètres du modèle stellaire, et montré que les supernovæ peuvent augmenter la fraction de photons libérés. J’ai également étudié la propagation des fronts d’ionisation et montré qu’il était possible de réduire la vitesse de la lumière par trois (et ainsi diminuer le temps de calcul du transfert du rayonnement par 3), tout en conservant des résultats corrects ? / The epoch of reionization (EoR) is a phase of big changes in the first billion years of the Universe history. After the apparition of the first stars and the emission of energetic radiation by thoses ones, the hydrogen was reionized. This transition has an impact on the galaxies formations. I was part of the development team of EMMA, a numerical simulation code who aimed to study the processes happening during the EoR. I developed and implement a stellar formation and evolution model. These works contributed to the realisation of one of the biggest simulation dedicated to the study of the EoR yet. I contribute to the development of a tool dedicated to the exploration of this kind of simulations. I study how the radiation escaped the galaxies as a function of the parameters of the stellar model, and showed that supernovae could increase the ratio of escaping photon. I also studied the ionization fronts propagation and showed that the speed of light could be reduced by a factor 3 (and then divide the computational cost of the radiative transfer by 3), while keeping corrects results .

J'ai consacré mon travail de thèse à la recherche de quasars à haut redshift dans le sondage Canada France High-z Quasar Survey in the Near Infrared (CFHQSIR). L'objectif principal de ce programme est de découvrir des quasars de redshift de l'ordre de z $\sim$ 7 dans les champs larges du CFHTLS (CFHTLS Wide) en utilisant des images réalisées dans le proche infrarouge avec la caméra WIRCam installée au foyer du CFHT. J'ai tout d'abord effectué la calibration photométrique de l'ensemble des données de CFHQSIR. J'ai ensuite étudié la qualité des images ainsi que leur propriété de bruit et leur profondeur. J'ai dans un deuxième temps calculé le nombre de quasars qu'il serait possible de détecter avec CFHQSIR et en ai déduit les contraintes envisageables sur la fonction de luminosité des quasars à z $\sim$ 7. J'ai ensuite procédé à l'identification de candidats quasars parmi les dizaines de milliers de sources que comptent les 130 degrés carrés couvert par CFHQSIR. Des observations de suivi photométriques des candidats ont finalement permis de révéler une cinquantaine d’objets, dont une quinzaine a été sélectionnée pour des observations spectroscopiques au Very Large Telescope (VLT). Celles-ci n’ayant, pour la plupart, pas encore été realisées, la nature exacte de ces sources ne pourra être connue que dans les prochains mois. Pour finir, la dernière partie de ma thèse s’est focalisée sur l’étude de modèles statistiques bayésiens afin de compléter ma méthode de sélection de candidats quasars. Cette étude m'a finalement permis de vérifier que la majorité des objets retenus pour des observations spectroscopiques étaient effectivement les candidats les plus probables. / My PhD work is focused on the search for high-redshift quasars in the Canada France High-z Quasar Survey in the Near Infrared (CFHQSIR). The main scientific objective of this CFHT Large Program is to search for quasars at redshift z $\sim$ 7 with near-infrared images of the CFHTLS Wide fields acquired with the CFHT WIRCam camera. Firstly, I carried out the photometric calibration of the CFHQSIR images. I performed a detailed analysis of the CFHQSIR data by studying their quality, as well as their noise properties and their depths.Secondly, I computed the number of high-redshift quasars that could be detected with CFHQSIR and the corresponding constraints which could be put on the z $\sim$ 7 quasar luminosity function. Then, I proceeded to the identification of quasar candidates among the many thousands of sources in the 130 square degrees covered by CFHQSIR. Photometric follow-up observations of the candidates revealed about fifty objects, of which fifteen were chosen to be spectroscopically observed with the Very Large Telescope (VLT). Given that this spectroscopic follow-up is not yet completed, the exact nature of these sources will only be known in the coming months. To finish, I applied Bayesian model comparison to my sample in order to complete and consolidate my selection procedure. My candidates were finally classified according to their probability to be a high-redshift quasar. I verified that the majority of the most likely candidates were selected for spectroscopic observations.