Briser la frontière observationnelle de l’Univers lointain suscite de nombreux axes de recherches dans la cosmologie moderne. Exigeantes par la sensibilité demandée, ces observations constituent aussi bien un défi technologique pour les prochaines générations d’instruments qu’une étape nécessaire à la compréhension des différentes étapes d’évolution de l’Univers. Une des étapes importantes est la réionisation du milieu intergalactique, époque charnière marquant la fin des “Âges Sombres”. Déterminer quand et comment ce processus s’est déroulé et quelles ont été les sources l’ayant déclenché et entretenu sont les principales questions motivant ces recherches. Les travaux présentés dans cette thèse participent à l’effort de la communauté scientifique internationale dans la caractérisation de l’histoire de l’époque de la réionisation en recherchant des galaxies à grand décalage spectral vers le rouge (redshift). Après un panorama complet des contraintes observationnelles actuelles sur l’époque de la réionisation, sont ensuite présentés les deux projets ayant fournis les données constituant la matière première de cette analyse. En utilisant une même technique d’imagerie en bande étroite dans le domaine de longueurs d’onde proche-infrarouge, des observations avec l’instrument WIRCAM (CFHT) et d’autres avec l’instrument HAWK-I (VLT) ont permis d’établir des contraintes robustes sur la fonction deluminosité des Emetteurs Lyman-α au redshift z = 7.7. A l’occasion de la présentation du second projet, la problématique de la stratégie observationnelle est abordée, notamment via l’utilisation des amas de galaxies comme lentilles gravitationnelles amplifiant le flux des sources d’arrière-plan. L’absence de confirmation spectroscopique des Emetteurs Lyman-– sélectionnés durant l’analyse des données WIRCAM et l’absence de candidats dans le sondage HAWK-I suggèrent une évolution de la fonction de luminosité des Emetteurs Lyman-– entre les redshifts z = 6.5, telle quedéterminée dans d’autres études, et z = 7.7. La tendance de cette évolution, en luminosité ou en densité de galaxies, ne peut pas encore être déterminée compte tenu de la variabilité des résultats obtenus à plus bas redshift. Si cette évolutions’effectuait en luminosité, ce pourrait être le signe d’une augmentation de l’opacité du milieu intergalactique au rayonnement Lyman-α causée par une plus importante fraction d’hydrogène neutre, ce qui est une signature attendue de la réionisation. / Breaking through the observational frontier of the distant universe motivates numerous scientific cases in modern cosmology. Demanding by the required sensitivity, high-redshift observations provide both a technological challenge for next generation instruments and a necessary step toward the understanding of cosmic evolution. One critical epoch is the reionization of the intergalactic medium bringing to light the end of the so-called “Dark Ages”. Determine when and how this process took place and what were the sources that started and maintained the reionization are the mainquestions motivating this research. The work presented in this thesis contributes to the effort of the internationalscientific community in characterizing the reionization epoch history by searching for galaxies at high redshift. First, I describe the current observational constraints in a comprehensive chapter. Then the two datasets used in that work are presented. From narrow-band observations in the near-infrared with WIRCAM at the CFHT and HAWK-I at the VLT, I put strong constraints on the luminosity function of Lyman-α Emitters at z = 7.7. The best strategy for this type of survey is discussed, in particular with the use of massive galaxy clusters acting as gravitational lenses that amplify the flux from background sources. The lack of spectroscopic confirmation of candidates found with WIRCAM and the lack of candidates found with HAWK-I suggest an evolution of the luminosity function from z = 6.5. This evolution could be either in luminosity or in number density but somewhat discrepant results at lower redshift prevent any definitive answer to this question. If the evolution was mostly in luminosity, it could be interpreted as an increase in the opacity of the intergalactic medium caused by an increased fraction of neutral hydrogen, which is an expected signature of reionization.

L'époque de la réionisation, qui s'étend pendant le premier milliard d'années de l'Univers, correspond à la période où les premières étoiles et galaxies apparaissent. Dans ce contexte, l'enjeu majeur de cette thèse est d'étudier la formation de ces premières structures et leur rétroaction radiative sur leur environnement. Pour cela, j'utilise différentes méthodes de simulations numériques permettant de modéliser le transfert radiatif dans les galaxies, dans un cadre cosmologique.En particulier, les plus petites galaxies seraient celles qui apportent la majorité des photons nécessaires à ioniser l'Univers. J'explore cette hypothèse dans une première partie à l'aide de simulations radio-hydrodynamiques avec le code RAMSES-RT, ciblant trois petites galaxies avec une très haute résolution spatiale et temporelle. Je me suis d'abord intéressé aux mécanismes régulant la production et le transfert de photons ionisants dans les galaxies, et j'ai montré que les explosions de supernovae en sont un facteur essentiel. Ensuite, j'ai exploré les propriétés observables dérivées à partir de ces simulations.Dans un second temps, j'ai développé une extension au code Monte Carlo de transfert radiatif MCLya prenant en compte la polarisation du rayonnement et l'émission diffuse dans une simulation. J'ai utilisé ce code pour post-traiter une simulation d'un blob Lyman-alpha, une source étendue d'émission Lyman-alpha, et étudier ses propriétés de polarisation à l'aide de pseudo-observations. Contrairement à ce qui était proposé précédemment, j'ai pu montrer que la polarisation n'était pas un indicateur aussi utile qu'espéré pour tracer l'origine des photons Lyman-alpha / The Epoch of Reionisation, which spans during the first billion year of te Universe, corresponds to the period during which the first stars and galaxy form. In this context, the main topic of this thesis is to study the formation of those early structures and their radiative feedback to their environment. For this purpose, I use various numerical simulations tools designed to model the radiative transfer in galaxies in a cosmological framework.More specifically, I look at very small galaxies, which are believed to contribute the bulk of the photons required to reionise the Universe. I explore this idea using radiative hydrodynamics simulations performed with RAMSES-RT, focusing on three small galaxies with a very high spatial and temporal resolution. I first detail the mechanism that regulate te production and escape of ionising photons in galaxies, and I show that supernovae explosions are a crucial element for this regulation. I then started to investigate the observable properties of those galaxies.In a second part of my thesis, I developped an extension to the Monte Carlo radiative transfer code MCLya to take light polarisation into account and to model the diffuse emission. I applied this code to post-process the simulation of a Lyman-alpha blob (an extended Lyman-alpha source), and to study its polarisation properties with mock observations. Contrary to what was suggested before, I showed that polarisation is not a strong tracer of the origin of Lyman-alpha photons

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. / The Planck satellite was designed to perform the ultimate measurement of the primary fluctuationsof the cosmic microwave background (CMB), and to improve on the existing polarizationconstraints. In this framework, the first part of this thesis focusses on the data processingof Planck’s high frequency instrument. In particular, the statistical properties of the noise havebeen tested. This has allowed us to identify systematic effects in the noise estimator, amongwhich some have been corrected. The selection of the data to be projected on the maps, alongwith its quality validation, are then presented. Comparing this selection to a case where the criteriaare much more severe, we conclude that any residual imperfections in the selected dataare negligible.We also show that the data validated for scientific use meet the requirements ofgaussianity and stationarity : instrumental effects will not influence cosmological conclusions.The second part of this document deals with the scientific interpretation of these data. Theconcordance model is presented along with the main 2013 results released by the Planck collaboration.Finally, the third part is dedicated to two phenomenological studies of the ionizationof the Universe. First, the influence of dark matter annihilation on the CMB spectrum is investigated: we develop a method to measure the impact of uncertainties in the thermodynamicalprocesses at play and conclude that the parameters associated to dark matter annihilation arenot strongly dependent on the underlying hypotheses used to model the energy deposition inthe plasma. Second, the epoch of reionization and its role on the CMB spectrum is presented,along with an analysis of the parametrization of the ionization fraction.We show the reliabilityof different algorithms in the case where the ionization fraction is piecewise-constant, i.e. evenin the presence of strong discontinuities.

L'époque de la Réionisation est la transition d'un Univers rempli d'hydrogène neutre et relativement froid à un Univers rempli de gaz chaud et ionisé. Cette transition intervient à peine un milliard d'années après le Big Bang. Le processus de réionisation est dû à l'émission de photons ionisants par les premières étoiles et premières galaxies à se former. Le travail de cette thèse consiste en l'étude de la formation des galaxies pendant et après la Réionisation, et en particulier de l'impact de cette dernière sur la formation stellaire. En utilisant des modèles et des simulations numériques, il est possible d'étudier le processus de Réionisation de l'Univers en détail, avec comme contraintes les observations du milieu inter-galactique et des galaxies à haut redshift. Dans cette thèse, je me suis concentré dans un premier temps sur les effets de coupure de la formation stellaire pendant et après la Réionisation de manière globale. J'ai eu accès à des simulations d'un nouveau type, qui modélisent la propagation du rayonnement ionisant couplé avec la dynamique et avec l'évolution des propriétés de la matière dans un volume cosmologique. J’ai aussi étudié en détail l'impact de la Réionisation sur les plus petites galaxies, en particulier, le cas de leur distribution spatiale dans l'Univers local, dans le but de reproduire et comprendre certaines observations. / The Epoch of Reionization is the transition from a Universe full of cold and neutral hydrogen to a hot and ionized Universe: it occurs one billion years after the Big Bang. The Reionization is driven by the ionizing photons emitted by the first stars and galaxies. This thesis analyses the galaxy formation during and after the Reionization. Focusing on the feedback of the Reionization on the stellar formation. Using models and numerical simulations, we can study in details the Reionization process. Observations of galaxies and intergalactic medium at high redshift constrain those models, as well as observations of the local Universe, which is the only place where low luminosity galaxies can be observed. In this thesis, I focus on the radiative suppression of stellar formation caused by the Reionization. For this purpose, I used a new generation of simulations, able to take into account the radiative transfer as well as the hydrodynamics in a cosmological volume. I also studied in details the Reionization of the smallest galaxies, focusing on their spatial distribution in the local Universe to understand and reproduce the observations. I looked in particular at the distribution of satellites around M31-like galaxies and find that the observed vast plane of satellites can be reproduced in our models.

Je donne ici un résumé de mes activités de recherche en cosmologie physique, couvrant principalement les thèmes de l'énergie sombre révélée par les grandes structures cosmiques, l'origine des champs magnétiques aux très grandes échelles, et les possibilités de sonder l'histoire de la réionisation par les corrélations croisées du fond diffus cosmologique et de la raie à 21cm de l'hydrogène décalée vers le rouge.