Cette thèse porte sur l'étude de divers modèles d'univers primordial et leur observabilité dans les anisotropies du rayonnement fossile. Dans la première partie sont exposées les équations d'évolution des perturbations cosmologiques. On y fait un rappel de la physique du rayonnement fossile, et l'influence des différents paramètres cosmologiques y est présentée. Les trois parties suivantes s'intéressent à différents scénarios d'univers primordial. La deuxième partie porte sur les scénarios à base de sources actives, dont font partie les défauts topologiques. Les différences majeures avec les scénarios inflationnaires y sont exposées. On y détaille notamment l'importance des effets non linéaires dans l'évolution des sources et de leurs interactions non gravitationnelles avec le reste de l'univers. La troisième partie porte sur les scénarios inflationnaires, et discute les hypothèses habituellement faites à propos de l'état des perturbations en fin d'inflation. L'accent est mis sur l'importance de la modélisation de ces conditions initiales pour pouvoir extraire des informations précises sur les paramètres cosmologiques à partir des observations des anisotropies du rayonnement fossile. Enfin, la quatrième partie traite des scénarios de quintessence, et notamment de l'influence de ce champ scalaire sur la dynamique des perturbations cosmologiques. Il est montré que ces modèles font des prédictions assez différentes des scénarios avec constante cosmologique.

Les anisotropies du fond diffus cosmologique (CMB) sont une mine d'informations sur la physique de l'Univers primordial. Leur spectre spatial de puissance depend des parametres cosmologiques qui caracterisent le contenu et l'evolution de l'Univers. La mesure precise de ce spectre de puissance permet de contraindre fortement les modeles, mais est rendue difficile par la presence de emissions astrophysiques d'avant-plan qui se superposent au signal primordial. Apres une presentation succinte du modele standard de la cosmologie et des differentes sources d'emission dans le domaine millimetrique, nous passons en revue les methodes de separation de composantes couramment employees au sein de la communaute. Nous developpons dans cette these des methodes ameliorees pour la separation et la caracterisation des composantes de signal et de bruit presentes dans les donnees. Tout d'abord, les methodes classiques, basees sur un modele extremement simplifie, ne permettent pas de separer efficacement certaines composantes systematiques instrumentales correlees entre les detecteurs. Nous presentons une methode de separation de composante adaptee au traitement de tels effets systematiques. Cette technique est testee sur des simulations d'observation du satellite Planck.Par ailleurs, les methodes "standard" de separation de composantes ne sont pas entierement satisfaisantes, car elles ne sont pas optimisees pour l'estimation des spectres de puissance, et elles necessitent la connaissance, a priori, des spectres electromagnetiques des composantes. Nous decrivons une nouvelle methode destimation du spectre de puissance du CMB (et des autres composantes) realisant en aveugle la separation des composantes. Cette approche est validee a l'aide de nombreuses simulations. Dans une derniere partie, nous appliquons cette methode aux donnees obtenues avec l'experience Archeops.

Le rayonnement fossile, ou CMB, est un sujet d’étude clé pour la cosmologie car il indique l’état de l’univers à une époque primordiale. Le CMB est observable dans le ciel dans la bande de fréquences des micro-ondes. Cependant, il existe des processus astrophysiques, les avant-plans, qui émettent dans les micro-ondes, et rendent indispensable le traitement des données avec des méthodes de séparation de composantes. J'utilisé la méthode aveugle SMICA pour obtenir une estimation directe du spectre de puissance angulaire du CMB. La détermination des petites échelles de ce spectre est limité par les avant-plans comme les galaxies lointaines, et par le biais du bruit. Dans cette analyse, ces deux limitations sont abordées. En ajoutant des hypothèses sur la physique des galaxies lointaines, il est possible de guider l’algorithme pour estimer leur loi d'émission. Un spectre de puissance angulaire obtenu d'une carte du ciel a un biais dû au bruit à petites échelles. Toutefois, les spectres obtenus en croisant différentes cartes n'ont pas ce biais. J'ai donc adapté la méthode SMICA pour qu'elle n'utilise que ces derniers, diminuant l'incertitude due au bruit dans l'estimation du CMB. Cette méthode a été étudiée sur des nombreuses simulations et sur les données Planck 2015, afin d'estimer des paramètres cosmologiques. Les résultats montrent que la contamination résiduelle des avant-plans présente dans le spectre CMB, même si fortement réduite, peut introduire des biais dans l'estimation des paramètres si la forme des résiduels n'est pas bien connue. Dans cette thèse, je montre les résultats obtenus en étudiant un modèle de gravité modifiée. / The Planck satellite observed the whole sky at various frequencies in the microwave range. These data are of high value to cosmology, since they help understanding the primordial universe through the observation of the cosmic microwave background (CMB) signal. To extract the CMB information, astrophysical foreground emissions need to be removed via component separation techniques. In this work I use the blind component separation method SMICA to estimate the CMB angular power spectrum with the aim of using it for the estimation of cosmological parameters. In order to do so, small scales limitations as the residual contamination of unresolved point sources and the noise need to be addressed. In particular, the point sources are modelled as two independent populations with a flat angular power spectrum: by adding this information, the SMICA method is able to recover the joint emission law of point sources. Auto-spectra deriving from one sky map have a noise bias at small scales, while cross-spectra show no such bias. This is particularly true in the case of cross-spectra between data-splits, corresponding to sky maps with the same astrophysical content but different noise properties. I thus adapt SMICA to use data-split cross-spectra only. The obtained CMB spectra from simulations and Planck 2015 data are used to estimate cosmological parameters. Results show that this estimation can be biased if the shape of the (weak) foreground residuals in the angular power spectrum is not well known. In the end, I also present results of the study of a Modified Gravity model called Induced Gravity.

Les travaux présentés dans cette thèse contraignent les paramètres d'un modèle de cosmologie, le modèle du galileon, et d'un modèle de physique des particules, le modèle du branon, qui sont des extensions des modèles standards. Ces modèles, qui supposent l'existence d'un champ scalaire additionnel et peuvent trouver leurs origines dans les théories à dimensions supplémentaires, offrent des explications élégantes aux questions de la nature de l'énergie noire et de la matière noire respectivement. La première partie de cette thèse présente les prédictions du modèle du galileon et les résultats obtenus par leur comparaison aux observations cosmologiques et astrophysiques récentes. Cette étude montre que le modèle du galileon a de sérieuses difficultés à reproduire ces observations, qui regroupent le fond diffus cosmologique, les mesures liées aux distances cosmologiques, et l'observation d'un évènement par ondes gravitationnelles et contrepartie électromagnétique. La seconde partie décrit la recherche de branons dans les collisions proton-proton enregistrées en 2016 par le Solénoïde Compact à Muons au Grand Collisionneur de Hadrons, à une énergie dans le centre de masse de 13 TeV. Des évènements qui présentent un jet de haute énergie, produit par un quark ou gluon ou bien par désintégration hadronique d'un boson vecteur, et de l'énergie transverse manquante dans l'état final sont sélectionnés et comparés aux estimations pour les évènements de bruits de fond. Aucun excès d'évènements n'est observé, ce qui permet de poser des contraintes sur les valeurs possibles des paramètres du modèle du branon. / This PhD thesis presents constraints on the parameters of a cosmological model, the galileon model, and a particle physics model, the branon model. Both are extensions of the standard models that include an additional scalar field and that can be built from extra dimensions theories. The galileon model propose an alternative to the cosmological constant as the nature of dark energy, and the branon model give a dark matter particle candidate. The first part of this thesis shows the predictions of the galileon model and the results obtained from their comparison with recent cosmological and astrophysical observations. The set of observations used contains the cosmic microwave background, cosmological distances measurements and the detection of gravitational waves along with their electromagnetic counterpart from the merger of a binary star system. The study shows that the galileon model has serious difficulties to reproduce these observations. The second part describe the search for branons in proton-proton collisions data at 13 TeV collected in 2016 with the Compact Muon Solenoid at the Large Hadron Collider. Events with high energy jets, produced by a quark, a gluon or a vector boson decaying hadronically, and missing transverse energy in the final state are selected and compared to background estimations. No excess of event has been found allowing for experimental constraints to be put in the parameter space of the branon model.

De la Poussière Interstellaire, de l'Emission Infrarouge des Galaxies, et des Mesures du rayonnement cosmologique à 3K

Le rayonnement fossile regorge d'une multitude d'informations physiques sur l'univers tel qu'il était quelques centaines de milliers d'années après le Big-Bang. L'analyse de ses fluctuations de température et de polarisation permet de mesurer les paramètres cosmologiques et de contraindre les théories de l'univers primordial. La polarisation permet en particulier de lever des dégénérescences entre certains paramètres cosmologiques en donnant un accès direct aux ondes gravitationnelles primordiales. <br>La première partie de cette thèse est consacrée au modèle standard de la cosmologie. Je présente en particulier la polarisation du rayonnement fossile. <br>Le signal polarisé, dont l'intensité n'excède pas dans la plupart des scénarios 10 % des fluctuations de température, est attendu à quelques micro kelvins. Pour le mesurer, on utilise souvent des bolomètres refroidis, couplés à des polariseurs. Je montre qu'il existe des dispositions optimales des détecteurs dans le plan focal de l'instrument minimisant le volume de la boîte d'erreurs et permettant d'avoir des erreurs décorrélées sur les paramètres de Stokes, caractérisant la polarisation. <br>La source majeure de bruit dans ces mesures provient des fluctuations du bain thermique dans lequel plongent les bolomètres, de l'électronique de lecture, des instabilités de gain et de l'optique. Ces processus engendrent des dérivez basses fréquences qui se traduisent par des niveaux de bruit relatifs entre détecteurs trop importants par rapport au signal recherché. J'applique aux donné polarisées une méthode simple permettant de soustraire aux dérives basses fréquences; elle utilise les redondances inhérentes à la stratégie de balayage du ciel par l'instrument. Les résultats montrent que ces dérives peuvent être soustraites jusqu'au niveau du bruit blanc. <br>Enfin, je décris l'expérience COSMOSOMAS et présente une analyse préliminaire. Elle fournira des cartes de l'émission polarisée de notre galaxie à des fréquences de l'ordre de 10 GHz.

La cosmologie est une science très ancienne qui a pour but de décrire l'Univers à grande échelle. Le modèle standard de la cosmologie est un modèle de Big-Bang de type CDM inflationaire, il est basé sur la théorie de la Relativité Générale. Le rayonnement fossile constitue l'un des trois piliers de ce modèle, avec l'expansion de l'Univers et la nucléosynthèse primordiale. C'est le rayonnement le plus ancien observable dans l'Univers. L'étude de ses anisotropies de température et en polarisation permettent d'accéder a des informations directes sur le contenu et la géométrie de l'Univers primordial. Le satellite Planck, lancé le 14 mai 2009, représente la troisième génération de missions satellite d'étude du rayonnement fossile. La sensibilité exceptionnelle de ses instruments High Frequency Instrument et Low Frequency Instrument permettra de contraindre très fortement les modèles cosmologiques décrivant les premiers instants de l'Univers, en particulier la période d'inflation, et de mesurer avec une précision de l'ordre du pourcent les paramètres cosmologiques qui décrivent l'évolution de l'Univers. Pour atteindre ces objectifs scientifiques ambitieux chacun des effets systématiques instrumentaux doit être sévèrement contrôlé et corrigé au cours de l'analyse des données. L'effet des rayons cosmiques interagissant avec les bolomètres de HFI, qui est l'un des effets systématiques instrumentaux les plus importants, et l'un des seuls qui diffère significativement des prédictions, est corrigé lors de l'analyse des données ordonnées en temps. La compréhension détaillée de ce phénomène et sa modélisation sont nécessaires pour s'en affranchir et atteindre une sensibilité effective optimale. Elles permettront également de tenir compte de cet effet dans les instruments futurs dès la conception des détecteurs. Cette thèse propose une première partie consacrée à la cosmologie, une seconde partie décrivant le satellite Planck, l'instrument HFI et en particulier ses détecteurs et une troisième partie consacrée à l'analyse des données de l'instrument HFI. Je me concentre sur l'analyse des données en temps et le traitement des effets systématiques instrumentaux et je propose une analyse détaillée de l'effet du rayonnement cosmique sur le signal et une évaluation de son impact sur les résultats de Planck.

La prochaine génération d'expériences dédiées à la mesure des anisotropies de température et de polarisation du fond diffus cosmologique (CMB), inaugurée avec le lancement de Planck, va permettre la détection et l'étude d'effets de plus en plus fins. Toutefois, la superposition d'émissions astrophysiques d'avant-plan contamine le signal cosmologique et constituera, dans ces futures données, la principale source d'incertitude devant le bruit instrumental. L'amélioration de la modélisation des émissions d'avant-plan et le développement de méthodes statistiques pour permettre leur séparation sont donc des étapes cruciales de l'analyse scientifique des mesures à venir. Ce travail s'inscrit dans cette problématique et comprend le développement du Planck Sky Model, un outil de modélisation et de simulation de l'émission du ciel. Ces simulations sont par ailleurs mises à profit pour le développement et l'évaluation de méthode statistiques adaptées au problème des avant-plans. Nous explorons ainsi les possibilités offertes par l'analyse en ondelettes sur la sphère (needlets) pour le problème de l'estimation spectrale sur des mesures incomplètes avec une contamination inhomogène, et proposons une méthode pour traiter la contamination induites aux petites échelles par les sources ponctuelles dans les données Planck et WMAP. Nous étudions également l'impact des avant-plans sur la possibilité de détection des ondes gravitationnelles primordiales (prédites par l'inflation) et proposons une prospective des performances des futures missions dédiées à leur mesure.

Le sujet principal de cette thèse est la conception et le développement d'un nouveau type de détecteur cryogénique, appelé Lumped Element Kinetic Inductance Detector, pour l'application dans l'astronomie millimétrique et la détection de photons de haute énergie. Concernant l'astrophysique, l'objectif était d'élaborer des grandes matrices de détecteurs qui montrent une sensibilité comparable aux bolomètres. J'ai travaillé sur le développement et les tests de pixels uniques, la réalisation de matrices et l'intégration dans la caméra NIKA (Néel IRAM KIDs Array), une expérience pour le télescope IRAM en Espagne. Cette activité a été couronnée par deux campagnes de démonstration au télescope avec d'excellents résultats: la caméra travaille dans deux bandes de fréquences (1,25 mm et 2 mm), chacune avec plus de 100 pixels, et présente une sensibilité d'environ 200 aW/sqrt(Hz). Un deuxième objectif de la thèse était de réaliser un concept des LEKIDs pour la détection de photons de haute énergie. Nous avons développé des nouveaux dispositifs pour étudier la détection de rayons X médiée par les phonons produits dans le substrat. Ces tests montrent un seuil de détection d'environ 60 eV ce qui est encourageant pour le future. / The main subject of this PhD thesis is the concept and development of a novel kind of cryogenics detectors, called Lumped Element Kinetic Inductance Detector for the application in millimeter astronomy and in the detection of high energy photons. Regarding astrophysics, the goal was to obtain large arrays of detectors, demonstrating a sensitivity comparable with bolometers. I worked on the development and tests of single pixel, realization of the array and integration into NIKA (Neel IRAM KIDs Array), an experiment installed at the IRAM telescope in Spain. This activity culminated with two demonstrative runs at the telescope with excellent results: the camera, working at two frequencies (1.25 mm and 2 mm) with more than 200 pixels, obtained a sensitivity of about 200 aW/sqrt(Hz). The goal of the second application was to obtain a good concept for high energy photons detection with LEKIDs. We developed new devices to study the detection of X-ray mediated via phonons produced in the substrate. Those tests demonstrated a threshold level of about 60 eV, encouraging for the future.

Cette thèse, écrite en anglais, étudie la non-Gaussianité (NG) des avant-plans extragalactiques au fond de rayonnement fossile (FDC), celui-ci étant une des observables de choix de la cosmologie actuelle. Ces dernières années a émergé la recherche de déviations du FDC à la loi Gaussienne, car elles permettraient de discriminer les modèles de génération des perturbations primordiales. Cependant les mesures du FDC, e.g. par le satellite Planck, sont contaminées par différents avant-plans. J'ai étudié en particulier les avant-plans extragalactiques traçant la structure à grande échelle de l'univers: les sources ponctuelles radio et infrarouges et l'effet Sunyaev-Zel'dovich thermique (tSZ). Je décris donc les outils statistiques caractérisant un champ aléatoire : les fonctions de corrélations, et leur analogue harmonique : les polyspectres. En particulier le bispectre est l'indicateur de plus bas ordre de NG avec le plus fort rapport signal sur bruit (SNR) potentiel. Je décris comment il peut être estimé sur des données en tenant compte d'un masque (e.g. galactique), et propose une méthode de visualisation du bispectre plus adaptée que les préexistantes. Je décris ensuite la covariance d'une mesure de polyspectre, une méthode pour générer des simulations non-Gaussiennes, et comment la statistique d'un champ 3D se projette sur la sphère lors de l'intégration sur la ligne de visée. Je décris ensuite la genèse des perturbations de densité par l'inflation standard et leur possible NG, comment elles génèrent les anisotropies du FDC et croissent pour former la structure à grande échelle de l'univers actuel. Pour décrire cette dite structure, j'expose le modèle de halo et propose une méthode diagrammatique pour calculer les polyspectres du champ de densité des galaxies et avoir une représentation simple et puissante des termes impliqués. Puis je décris les avant-plans au FDC, tant galactiques que extragalactiques. J'expose la physique de l'effet tSZ et comment décrire sa distribution spatiale avec le modèle de halo. Puis je décris les sources extragalactiques et présente une prescription pour la NG de sources corrélées. Pour le fond diffus infrarouge (FDI) j'introduis une modélisation physique par le modèle de halo et la méthode diagrammatique. Je calcule numériquement le bispectre 3D des galaxies et obtiens la première prédiction du bispectre angulaire FDI. Je montre les différentes contributions et l'évolution temporelle du bispectre des galaxies. Pour le bispectre du FDI, je montre ses différents termes, sa dépendence en échelle et en configuration, et comment il varie avec les paramètres du modèle. Par analyse de Fisher, je montre qu'il apporte de fortes contraintes sur ces paramètres, complémentaires ou supérieures à celles venant du spectre. Enfin, je décris mon travail de mesure de la NG. J'introduis d'abord un estimateur pour l'amplitude du bispectre FDI, et montre comment le combiner avec de similaires pour les sources radio et le FDC, pour une contrainte jointe des différentes sources de NG. Je quantifie la contamination des sources ponctuelles à l'estimation de NG primordiale ; pour Planck elle est négligeable aux fréquences centrales du FDC. Je décris ensuite ma mesure du bispectre FDI sur les données Planck ; il est détecté très significativement à 217, 353 et 545 GHz, avec des SNR allant de 5.8 à 28.7. Sa forme est cohérente entre les différentes fréquences, de même que l'amplitude intrinsèque de NG. Enfin, je décris ma mesure du bispectre tSZ, sur des simulations et sur les cartes tSZ estimées par Planck, validant la robustesse de l'estimation via des simulations d'avant-plans. Le bispectre tSZ est détecté avec un SNR~200. Son amplitude et sa dépendence en échelle et en configuration sont cohérentes avec la carte des amas détectés et avec les simulations. Enfin, cette mesure place une contrainte sur les paramètres cosmologiques : sigma_8 (Omega_b/0.049)^0.35 = 0.74+/-0.04 en accord avec les autres statistiques tSZ. / This PhD thesis, written in english, studies the non-Gaussianity (NG) of extragalactic foregrounds to the Cosmic Microwave Background (CMB), the latter being one of the golden observables of today's cosmology. In the last decade has emerged research for deviations of the CMB to the Gaussian law, as they would discriminate the models for the generation of primordial perturbations. However the CMB measurements, e.g. by the Planck satellite, are contaminated by several foregrounds. I studied in particular the extragalactic foregrounds which trace the large scale structure of the universe : radio and infrared point-sources and the thermal Sunyaev-Zel'dovich effect (tSZ). I hence describe the statistical tools to characterise a random field : the correlation functions, and their harmonic counterpart : the polyspectra. In particular the bispectrum is the lowest order indicator of NG, with the highest potential signal to noise ratio (SNR). I describe how it can be estimated on data, accounting for a potential mask (e.g. galactic), and propose a method to visualise the bispectrum, which is more adapted than the already existing ones. I then describe the covariance of a polyspectrum measurement, a method to generate non-Gaussian simulations, and how the statistic of a 3D field projects onto the sphere when integrating along the line-of-sight. I then describe the generation of density perturbations by the standard inflation model and their possible NG, how they yield the CMB anisotropies and grow to form the large scale structure of today's universe. To describe this large scale structure, I present the halo model and propose a diagrammatic method to compute the polyspectra of the galaxy density field and to have a simple and powerful representation of the involved terms. I then describe the foregrounds to the CMB, galactic as well as extragalactic. I briefly describe the physics of the thermal Sunyaev-Zel'dovich effect and how to describe its spatial distribution with the halo model. I then describe the extragalactic point-sources and present a prescription for the NG of clustered sources. For the Cosmic Infrared Background (CIB) I introduce a physical modeling with the halo model and the diagrammatic method. I compute numerically the 3D galaxy bispectrum and produce the first theoretical prediction of the CIB angular bispectrum. I show the contributions of the different terms and the temporal evolution of the galaxy bispectrum. For the CIB angular bispectrum, I show its different terms, its scale and configuration dependence, and how it varies with model parameters. By Fisher analysis, I show it allows very good constraints on these parameters, complementary to or better than those coming from the power spectrum. Finally, I describe my work on measuring NG. I first introduce an estimator for the amplitude of the CIB bispectrum, and show how to combine it with similar ones for radio sources and the CMB, for a joint constraint of the different sources of NG. I quantify the contamination of extragalactic point-sources to the estimation of primordial NG ; for Planck it is negligible for the central CMB frequencies. I then describe my measurement of the CIB bispectrum on Planck data ; it is very significantly detected at 217, 353 and 545 GHz with SNR ranging from 5.8 to 28.7. Its shape is consistent between frequencies, as well as the intrinsic amplitude of NG. Ultimately, I describe my measurement of the tSZ bispectrum, on simulations and on Compton parameter maps estimated by Planck, validating the robustness of the estimation thanks to realist foreground simulations. The tSZ bispectrum is very significantly detected with SNR~200. Its amplitude and its scale and configuration dependence are consistent with the projected map of detected clusters and tSZ simulations. Finally, this measurement allows to put a constraint on the cosmological parameters : sigma_8*(Omega_b/0.049)^0.35 = 0.74+/-0.04 in agreement with other tSZ statistics.