Les découpeurs d'images sont devenus des équipements essentiels dans le domaine de l'astronomie, particulièrement pour la spectroscopie intégrale de champ. La conception et l'usinage des découpeurs d'images, principalement du miroir découpeur qui en est la pièce centrale, est complexe et présente de nombreux défis techniques. Suivant sa fabrication, la caractérisation des découpeurs d'images est donc capitale afin de s'assurer que le dispositif rencontre les spécifications établies. Dans le cadre du développement de GIRMOS¹ (un spectrographe infrarouge multi-objets destiné aux télescopes jumeaux de 8,1 m de l'Observatoire Gemini), qui emploie la technologie des découpeurs d'images, il devient ainsi primordial de mettre en place une procédure pour en assurer la caractérisation. Dans ce contexte, l'objectif de ce projet de maîtrise est d'élaborer une méthodologie permettant de caractériser et de valider des découpeurs d'images. Les travaux présentés dans ce mémoire détaillent les concepts entourant les découpeurs d'images avancés et mettent de l'avant l'ensemble des tests nécessaire à la caractérisation du miroir découpeur. De plus, le développement d'un outil de caractérisation pour les pupilles intermédiaires, soit un banc de tests, y est décrit. Afin de valider la méthodologie établie, la série de tests métrologiques est menée sur un prototype de miroir découpeur. En comparant les résultats expérimentaux avec les résultats des simulations et la théorie, il a été possible de conclure que la méthodologie établie permet de caractériser partiellement le découpeur d'images. En effet, des améliorations restent à faire sur le banc de tests afin d'augmenter la précision de ce dernier. De surcroît, certains tests identifiés dans la méthodologie n'ont pu être mis en œuvre notamment dû au fait que les miroirs pupille et les miroirs fente n'avaient pas encore été fabriqués. Ces tests n'ayant pu être menés, il n'est pas possible de conclure que la méthodologie permet de valider le découpeur d'images menant à une l'atteinte partielle de l'objectif. / Image slicers have become essential equipment in the field of astronomy, particularly for Integral Field Spectroscopy. The design and manufacture of an image slicer, mainly the slicer mirror, which is the central part, is complex and presents many technical challenges. Following its fabrication, the characterization of an image slicer is therefore essential to ensure that the device meets the established specifications. As part of the development of GIRMOS² (a multi-object infrared spectrograph for twin 8.1 m telescopes of the Gemini Observatory), which uses image slicer technology, it becomes essential to set up a procedure to ensure its characterization. In this context, the objective of this master's project is to develop a methodology to characterize and validate image slicers. The work presented in this master's thesis details the concepts surrounding advanced image slicers and highlights all the tests necessary for the characterization of slicer mirrors. In addition, the development of a characterization tool for intermediate pupils, namely a test bench, is described therein. To validate the established methodology, a series of metrological tests are carried out on a slicer mirror prototype. By comparing the experimental results with the results of the simulations and the theory, it was possible to conclude that the established methodology allows to partially characterize the image slicer. Indeed, improvements remain to be made on the test bench to increase the accuracy of the latter. In addition, certain tests identified in the methodology could not be implemented, in particular since the pupil mirrors and the slit mirrors had not yet been manufactured. As these tests could not be carried out, it is impossible to conclude that the methodology allows to validate the image slicer leading to a partial achievement of the objective.

Mon travail de thèse se place dans le contexte dynamique de la détection directe des compagnons de faible masse (naines brunes, planètes extrasolaires) dans le but de caractériser leurs propriétés physiques et chimiques et de comprendre leurs mécanismes de formation et d'évolution. Cette recherche requiert l'emploi de techniques d'observations à haut contraste et à haute résolution angulaire pour résoudre l'environnement proche des étoiles et ne pas être limité par leur flux. Dans ce cadre, j'ai eu la chance de participer à des campagnes d'observations pour tenter de détecter de nouvelles sources. J'ai élaboré un ensemble d'outils de traitement et d'analyse des données pour extraire les spectres et les flux des objets dans des bandes photométriques. Enfin, j'ai utilisé ces informations pour étudier les propriétés physiques (rayon, masse, âge) et atmosphériques (composition, température effective, gravité de surface) de ces objets. La première partie de ce manuscrit se focalise sur la détection par imagerie des compagnons de faible masse jeunes (< 100 millions d'années). Je décris un ensemble d'outils de réduction et d'analyse, spécifiques à la technique d'imagerie angulaire différentielle, que j'ai mis en place. Ces outils ont été utilisés sur des données provenant de l'instrument NaCo situé au Very Large Telescope (Chili). Ils ont permis de re-détecter la planète extrasolaire β Pictoris b. Ce compagnon est le plus proche de son étoile de toutes les exoplanètes détectées directement. Cette découverte fournit la preuve directe que des planètes géantes se forment en moins de 12 millions d'années à l'intérieur de disques. Je présente enfin l'analyse complémentaire que j'ai mené pour initier la caractérisation de cet objet particulier. Le second volet de mon travail, présenté dans la deuxième partie du manuscrit, est axé sur la détermination des propriétés spectroscopiques dans le proche infrarouge (1.1-2.5 µm) des objets de faible masse jeunes. Ce travail à débuté par l'optimisation et le développement d'outils de traitement et d'analyse des données du spectrographe intégral de champ SINFONI assisté par optique adaptative. Les efforts déployés ont permis d'analyser le spectre du compagnon naine brune/exoplanète AB Pic b. Ce travail s'est poursuivi par la construction d'une bibliothèque de spectres d'objets jeunes. Cette bibliothèque fournie un ensemble de spectres de référence pour l'étude des compagnons détectés. Elle apporte des contraintes inédites sur les dernières générations de modèles d'atmosphère froids. Enfin, j'ai tiré parti de l'expérience acquise sur les instruments NaCo et SINFONI pour caractériser le système binaire TWA 22AB qui pourrait calibrer les modèles d'évolution des objets de faible masse.

La première partie de ce manuscrit est consacrée à l'étude de la formation et de l'évolution des galaxies. Pour reconstituer l'histoire de l'évolution des galaxies, le rôle de l'information cinématique est décisif. Dans ce contexte, la spectroscopie intégrale de champ est un outil particulièrement efficace car il permet d'obtenir un diagnostic cinématique complet.<br />Je présenterai dans un premier temps les résultats obtenus grâce à l'instrument GIRAFFE dans le cadre du large programme d'observation IMAGES. Ces résultats montrent que la fraction de galaxies n'ayant pas encore atteint leur équilibre dynamique à z~0.6 est importante. Par ailleurs, l'analyse morphologique détaillée de l'échantillon IMAGES montre que la fraction des galaxies spirales en rotation était environ deux fois plus faible à z~0.6 que dans l'Univers local. En étudiant plus en détails cette population, nous sommes capables pour la première fois d'expliquer la formation d'une partie des galaxies spirales locales.<br />Une des conclusions essentielles de cette étude est qu'en combinant des observations dynamiques et morphologiques, on est désormais en mesure de disséquer et de comprendre l'histoire individuelle de chaque galaxie à z<1. Dans les prochaines années, ces études pourront être étendues à des galaxies à z>>1 grâce à la mise en service des futurs ELTs.<br />Pour cela, ces télescopes géants devront intégrer des systèmes d'Optique Adaptative pour compenser en temps réel la dégradation des images due à la turbulence. La faible luminosité des objets à observer, combinée à la taille des champs à corriger, rend indispensable la mise en place de sources artificielles et d'OA tomographiques. La deuxième partie de cette thèse est donc consacrée à l'étude de l'OA tomographique pour les futurs ELTs.<br />Le travail présenté porte en particulier sur l'étude et l'analyse des limites fondamentales des techniques tomographiques. En nous appuyant sur des développements théoriques dans une base de Fourier, nous proposons plusieurs voies pour l'optimisation de ces futurs systèmes.<br />La dernière partie de cette thèse est consacrée à l'étude de EAGLE: un projet de spectrographe intégrale de champ multi-objets pour l'ELT européen.<br />A l'aide des résultats obtenus avec GIRAFFE pour la définition des critères scientifiques et de l'analyse des techniques tomographiques, nous proposons un premier design d'optique adaptative capable de répondre aux besoins de la spectroscopie intégrale de champ des galaxies à z>>1. <br />En alliant la haute résolution spatiale et spectrale avec le pouvoir collecteur immense des futurs ELTs, l'instrument EAGLE apportera certainement des indices décisifs dans notre compréhension des processus à l'oeuvre pour l'assemblage de la masse dans les galaxies.

Les systèmes découpeurs d'images sont un nouveau type de spectrographes intégraux de champ pour l'instrumentation astronomique. Ce mémoire de thèse présente l'étude et la modélisation des performances de ces systèmes, basés sur un design optique comprenant un miroir découpeur. Ce dernier est constitué d'un empilement de slices, dont chaque surface active est sphérique et tiltée. Pour les instruments du JWST et du VLT, on a étudié deux technologies de fabrication et d'assemblage du miroir découpeur. La première, conçue en collaboration avec Cybernétix, présente un assemblage de slices en Zérodur maintenu par adhérence moléculaire. La deuxième, repose sur la technologie d'usinage diamant sur des métaux, en une pièce monolithique ou segmentée. Trois prototypes représentatifs de chaque technologie ont été testés sur banc optique à l'Observatoire de Lyon – rugosité, BRDF, profil de forme, alignement, grandissement du système, qualité image – et comparés aux spécifications de haut niveau. Une conclusion comparative des résultats obtenus est présentée afin d'orienter la meilleure technologie de découpeur d'images aux projets instrumentaux, qu'il s'agisse d'instruments mono ou multi-voies, au sol ou dans l'espace.

Les galaxies elliptiques ne sont des objets astronomiques très simples qu'en apparence: leur forme parfaitement régulière et ellipsoïdale est davantage le vestige d'une histoire tumultueuse semée d'interactions gravitationnelles avec d'autres galaxies plutôt que le signe d'un stade primitif dans leur vie. En effet, ces deux dernières décennies ont révélé la complexité de ces objets au niveau de leur cinématique interne, et surtout récemment avec le spectrographe intégral de champ SAURON qui a permis de dresser la structure bidimensionnelle de la vitesse de nombreuses galaxies elliptiques. La compréhension de la formation et de l'évolution de ces objets est un enjeu majeur de l'astrophysique contemporaine. La théorie hiérarchique de formation et d'évolution des galaxies, selon laquelle une galaxie est le résultat de nombreuses interactions et de fusions d'objets moins massifs, est à l'heure actuelle la mieux soutenue par les observations. Ainsi, elle permet de rendre compte de structures complexes telles les galaxies à coeur cinématiquement distinct, dans lesquelles on observe un brusque changement dans la courbe de rotation. Certains de ces objets montrent même une inversion dans le sens de rotation de la partie interne. De nombreuses études ont été réalisées pour comprendre les mécanismes de formation de ces coeurs, et la plupart d'entre elles semblent nécessiter l'apport d'un corps externe voire la fusion de deux galaxies. Dans ce travail nous réalisons dans un premier temps un catalogue de ces objets, afin d'en dégager les conclusions majeures. Dans un second temps nous présentons une méthode permettant d'extraire la signature orbitale de ces structures découplées en utilisant une modélisation dynamique de Schwarzschild . Nous appliquons cette méthode à trois objets dont nous disposons des données intégrales de champ, et tentons d'en extraire les principaux points communs. Finalement nous soulignons la valeur de cette méthodologie pour contraindre les modèles hiérarchiques de formation.

Cette thèse est consacrée à l'étude de la formation et de l'évolution des galaxies. La mise à disposition de la communauté par l'ESO du spectrographe à multi-intégrales de champ FLAMES/GIRAFFE représente une opportunité unique d'étudier la dynamique des galaxies à z<1, et de pouvoir ainsi relier les populations distantes aux populations locales. Nous présentons dans un premier temps les résultats obtenus grâce à cet instrument dans le cadre du temps garanti de l'Observatoire de Paris (GEPI). Ces résultats montrent que la fraction de galaxies n'ayant pas encore atteint leur équilibre dynamique à z~0.6 est importante. Cette fraction est encore plus importante parmi les galaxies compactes lumineuses (LCGs), ce qui supporte l'hypothèse selon laquelle ces galaxies sont des systèmes en cours de fusion. Jusqu'à présent, l'utilisation de la spectroscopie à fente ne permettait pas de distinguer efficacement les systèmes relaxés des systèmes non relaxés, ce qui explique les désaccords concernant l'évolution de la relation de Tully-Fisher. Les résultats présentés dans cette thèse montrent en effet une non évolution de cette relation dans le plan vitesse-masse stellaire. Enfin, GIRAFFE avec son mode IFU montre la pertinence de la cartographie physico-chimique du milieu interstellaire dans la compréhension des mécanismes liés aux processus de formation stellaire dans les galaxies distantes. L'extension des méthodes de spectroscopie intégrale de champ à z>1 requiert d'explorer leur couplage avec des techniques d'optique adaptative. Le projet FALCON (à la fois dédié aux VLTs et aux ELTs) propose une nouvelle voie prometteuse dans cette direction en introduisant le concept d'optique adaptative multi-objets (MOAO). Dans ce concept, seules les zones d'intérêt scientifique sont corrigées et analysées, ce qui nécessite le développement de systèmes miniaturisés de correction de front d'onde ainsi que d'une stratégie de commande originale en boucle ouverte.