Notre travail se concentre sur le rôle de la phase moléculaire froide et dense dans l'évolution des galaxies spirales. Cette phase p eut jouer le rôle de réservoir de gaz à faible taux de formation stellaire dans les parties externes des disques. Après une présentation générale des propriétés des galaxies, en particulier des galaxies spirales, leur milieux interstellaire et leur évolution dynamique, nous passons en revue les simulations numériques hydrodynamiques contemporaines et l'implémentation de la physique baryonique. Nous présentons ensuite la série de simulations que nous avons e ffectuées. Ces simulations incluent du refroidissement jusqu'à basse température, en prenant notamment en compte de l'hydrogène moléculaire. Nous testons en particulier l'infl uence de l'hydrogène moléculaire dans des simulations avec di fférentes efficacités de rétroactions énergétique stellaire, et obtenons que le dihydrogène permet dans tous les cas une faible formation d'étoiles dans les parties externes des disques. Les disques gazeux ont de plus tendance à s'épaissir à grands rayons du fait de la rétroaction stellaire renforcée par la présence de dihydrogène. L'hydrogène moléculaire peut donc jouer le rôle de réservoir de matière baryonique dans les parties externes des galaxies spirales qui accrètent du gaz par les fi laments cosmiques tout au long de leur vie.

La découverte de l'expansion de l'univers par Edwin Hubble en 1929 et l'étude de modèles cosmologiques ont retiré à l'univers son image statique et infinie; l'univers évolue depuis plus de 13 milliards d'années, depuis le Big Bang. Le modèle cosmologique standard hiérarchique ΛCDM prédit que, durant cette évolution, les halos de matière noire auraient principalement accrété de la masse par fusions successives. L'évolution des baryons, qui se trouveraient être en quantité bien plus faible, aurait suivi celle de la matière noire. Deux types de fusions auraient structuré l'évolution des galaxies : les fusions mineures et majeures. De plus, une accrétion continue de gaz froid, similaire à de nombreuses fusions mineures, aurait aussi pu jouer un rôle dans l'assemblage de la masse des galaxies. Les fusions mineures et l'accrétion de gaz entraînent une évolution douce des galaxies. A contrario, les fusions majeures modifient brutalement la morphologie aussi bien que la cinématique des galaxies en fusion et forment ainsi de nouvelles galaxies. Une dernière forme d'évolution apparaît lorsque la galaxie est isolée ou pendant une période séparant deux épisodes de fusion : l'évolution séculaire. La morphologie et la cinématique d'une galaxie peuvent alors changer via des perturbations internes ou générées par la dernière fusion. L'évolution séculaire n'ajoute pas de masse à la galaxie; seule, elle est insuffisante pour créer une galaxie. Pour mieux contraindre l'évolution des galaxies, je me suis tout d'abord penché sur l'évolution des galaxies durant les huit derniers milliards d'années. Dans cette optique, j'ai travaillé sur des données observationnelles du programme IMAGES (Intermediate MAss Galaxies Evolution Sequence), une étude, basée sur 63 galaxies situées à des redshifts intermédiaires (z ∼ 0.6), ayant pour objectif de dresser un portrait de l'état des galaxies à redshifts intermédiaires et de comprendre les mécanismes à l'oeuvre dans leur évolution. J'ai principalement utilisé les méthodes de travail développées sur l'échantillon du projet IMAGES pour 12 nouvelles galaxies ayant un redshift moyen légèrement plus grand (z ∼ 0.7 au lieu de 0.6). Avec les données du HST provenant du relevé GOODS, j'ai classé morphologiquement les galaxies du nouvel échantillon. Puis, utilisant les données du spectrographe multi-objets GIRAFFE, j'ai déterminé la cinématique de ces galaxies. Je retrouve, pour une plus petite statistique, les résultats du projet IMAGES : la fraction importante de galaxies particulières qui représentent plus de 50% des galaxies de masses intermédiaires à des redshifts intermédiaires, au détriment des galaxies spirales ; une corrélation entre la classe morphologique des galaxies spirales et celle cinématique des galaxies en rotation; une tendance pour les galaxies particulières à avoir une cinématique complexe ou perturbée. Ces résultats impliquent que les galaxies ont changé de morphologie entre z = 0.7 et z = 0. Les galaxies ayant une cinématique complexe ou perturbée sur de grandes échelles (> 5 kpc) requièrent des mécanismes bouleversant l'ensemble du gaz. Le mécanisme d'évolution le plus apte à les expliquer est la fusion majeure plutôt que l'accrétion lente de gaz ou la fusion mineure de galaxies naines. Les galaxies elliptiques de l'univers proche étant déjà en place à z > 1, les galaxies particulières ont dû alors évoluer en galaxies spirales. Tester le scénario de reconstruction des galaxies spirales après une fusion majeure a été le second axe de mon travail de recherche. La fraction de gaz, plus élevée dans le passé (> 50 % à z ∼ 1 − 2), joue un rôle primordial dans ce processus de reconstruction. Une partie du gaz en se refroidissant après une fusion majeure tombe dans le potentiel de la galaxie tout en conservant son moment angulaire et peut ainsi reformer un disque. Hammer et al. (2005a) interprète la formation stellaire sur les huit derniers milliards d'années ainsi que l'évolution de la morphologie et des abondances des galaxies par des épisodes de fusions majeures suivis de formation de galaxies spirales par reconstruction d'un disque. Suivant ce scénario, de nombreuses galaxies spirales de l'univers proche résulteraient d'une fusion majeure. La galaxie M31 semble être une bonne candidate pour ce type de phénomène. Elle a un nombre d'amas globulaires et de galaxies naines près de deux fois supérieur à celui de la Voie Lactée, plusieurs courants stellaires dont le Giant Stream et surtout un bulbe classique. J'ai participé au travail de reconstruction de M31 après une fusion majeure via des simulations numériques afin de tester cette hypothèse. Une fusion majeure de rapport de masse ∼ 3, avec des fractions de gaz dépassant les 60 % et comprenant un premier passage il y a 8-9 milliards d'années et une fusion il y a 5-6 milliards d'années, reproduit les structures morphologiques et cinématiques principales de M31 (bulbe, disque épais, disque mince, Giant Stream), renforçant ainsi le scénario de reconstruction du disque après une fusion majeure. Mon dernier travail de recherche a porté sur les conséquences des fusions majeures sur leur environnement. En effet, les débris éjectés d'une fusion majeure peuvent atteindre des masses de plus de 15 % de la masse baryonique totale des galaxies en fusion. La majeure partie de la matière éjectée à grande distance pourrait être due à la formation de queues de marée durant la fusion. A l'intérieur de ces queues de marée, de nouvelles galaxies naines peuvent se former, des galaxies naines de marée. Une fusion majeure peut donc être la source de la formation de nouvelles galaxies. Si la majeure partie des galaxies spirales se sont formées par fusions majeures, les conséquences de ces dernières ne peuvent être négligées. Plus particulièrement, la fusion majeure qui serait à l'origine de M31 aurait pu essaimer des galaxies naines dans le Groupe Local. Il se trouve que les galaxies naines de la Voie Lactée ont deux particularités : une distribution spatiale en forme de plan épais, dénommée VPOS (Vast Polar Structure), et la présence de deux galaxies naines irrégulières, les Nuages de Magellan (MC pour Magellanic Cloud), très proches de la Voie Lactée (< 60 kpc). Mon travail a consisté à tester l'hypothèse qu'une queue de marée, éjectée par la fusion majeure de M31, ait pu former les galaxies naines compagnons de la Voie Lactée. Ce scénario est probant pour reproduire leur distribution spatiale et la distribution de leur moment angulaire. Cependant, il semble en contradiction avec les rapports M/L élevés dans les galaxies naines sphéroïdales déduits des mesures de dispersion de vitesse. Ces rapports s'expliqueraient par la présence de grandes quantités de matière noire alors que les galaxies naines de marée en sont dépourvues par essence. Cette apparente contradiction pourrait s'expliquer si l'hypothèse de la stabilité interne des galaxies naines est abandonnée. Plus généralement, cette étude relance la question de l'origine des galaxies naines. Sont-elles des reliques des galaxies primordiales de l'univers ou le résultat de fusions majeures? Si le phénomène de fusion majeure est confirmée comme le mécanisme principal de formation des galaxies spirales et si des études démontrent qu'un grand nombre de galaxies naines de marée sont créées lors de ces événements, la recherche sur la formation, le nombre et la distribution spatiale des galaxies naines sera alors à revoir.

Worldwide regulations for short range communication devices allow the unlicensed use of several Gigahertz of bandwidth in the frequency band around 60 GHz. This 60GHz band is ideally suited for applications like very high data rate, energy-autonomous wireless sensor networks or Gbit/s multimedia links with low power constraints. Not long ago, radio interfaces that operate in the millimeter-wave frequency range could only be realized using expensive compound semiconductor technologies. Today, the latest sub-micron CMOS technologies can be used to design 60GHz radio frequency integrated circuits (RFICs) at very low cost in mass production. This thesis is part of an effort to realize a low power System in Package (SiP) including both the radio interface (with baseband and RF circuitry) and an antenna array to directly transmit and receive a 60GHz signal. The first part of this thesis deals with the design of the low power RF transceiver front-end for the radio interface. The key building blocks of this RF front-end (amplifiers, mixers and a voltage controlled oscillator (VCO)) are designed, realized and measured using the 65nm CMOS technology of ST Microelectronics. Full custom active and passive devices are developed and characterized for the use within these building blocks. An important step towards the full integration of the RF transceiver front-end is the assembly of these building blocks to form a basic receiver chip. Circuits with small chip size and low power consumption compared to the state of the art have been accomplished. The second part of this thesis concerns the development of behavioral models for the designed building blocks. These system level models are necessary to simulate the behavior of the entire SiP, which becomes too complex when using detailed circuit level models. In particular, a novel technique to model the transient, steady state and phase noise behavior of the VCO in the hardware description language VHDL-AMS is proposed and implemente d. The model uses a state space description to describe the dynamic behavior of the VCO. Its nonlinearity is approximated by artificial neural networks. A drastic reduction of simulation time with respect to the circuit level model has been achieved, while at the same time maintaining a very high level of accuracy.

Durant ma thèse j'ai exploré les liens morphologiques et physiques entre les phases poussière et stellaire des galaxies spirales proches.J'ai travaillé sur 46 galaxies de l'échantillon KINGFISH à l'aide des données IRAC/MIPS/PACS/SPIRE (de 3.6 à 500 microns).Un biais usuel dans la mesure de l'orientation des galaxies spirales est dû à l'utilisation d'une seule isophote. Pour supprimer ce biais j'ai extrait de nombreuses isophotes des cartes galactiques, j'ai créé un critère pour quantifier la similitude des forme des isophotes. J'ai extrait des zones dans chaque carte où les formes des isophotes se ressemblent. Dans de nombreuses cartes les formes des isophotes sont cohérentes avec l'idée d'un disque sous-jacent et ce malgré des variations de formes des isophotes qui peuvent ponctuellement être notable. De là j'ai obtenu pour chaque galaxie une orientation du disque par carte. En comparant les formes obtenues pour chaque galaxie dans différentes cartes j'ai selectionné 20 galaxies sur 46 dans lesquelles l'accord en terme d'orientation du disque entre les différentes cartes était acceptable. Dans ces galaxies les zones associées au disque galactique ont une taille typique allant jusqu'à 1/3 du rayon galactique visible (R25) que ce soit pour la phase poussière aussi bien que pour la phase stellaire. Ces 20 galaxies sont moins lumineuses dans le visible, moins lumineuses dans l'IR, moins barrées, et de type plus tardifs que la moyenne. Pour ces 20 galaxies, les orientations obtenues par ma méthode sont plus proches des orientations obtenues à partir d'études cinématiques H-alpha que de celles obtenues par une autre étude photometrique utilisant une seule isophote (RC3).A partir des orientations obtenues par ma méthode et par l'étude cinématique H-alpha j'ai moyenné azimuthalement les brillances de surface pour obtenir des profiles radiaux de distribution spectrales d'énergie. Après avoir ajusté dessus un modèle d'émission de la poussière cosmique (Galliano 2011), j'ai trouvé que la densité surfacique d'énergie interceptée par la poussière était proportionnelle au produit de la masse totale de poussière sur la ligne de visée par le champ de radiation interstellaire moyen ressenti par la poussière sur la ligne de visée. Cette densité d'énergie interceptée par la poussière est mieux corrélé à la luminosité bolométrique stellaire totale que la densité surfacique en masse de poussière ou le champ de radiation ressenti par la poussière. Il est donc probable que les étoiles agées à tout le moins soit une importante source de chauffage pour la poussière cosmique. L'énergie interceptée par la poussière est aussi très bien corrélée avec l'énergie totale émise dans l'infrarouge. J'ai également trouvé que la poussière semble intercepter une plus large quantité d'énergie provenant des étoiles dans les galaxies plus actives à former des étoiles.Les profiles radiaux en masse de poussière sont moins bien décrits que les profils en masse stellaire par des profiles de Sersic. Par ailleurs pour les ajustements acceptables par des fonctions de Sersic, les distributions statistiques des indices de Sersic et des rayons de demi masse totale ont des largeurs statistiques plus grandes pour la poussière que pour les étoiles.J'ai également trouvé que le rapport densité surfacique maximum de poussière sur densité surfacique maximum d'étoile est un facteur important à considérer pour expliquer la variation avec le type morphologique du rapport densité surfacique d'énergie interceptée par la poussière sur densité surfacique d'énergie émise par les étoiles. Cette variation pourrait être liée à une variation entre les galaxies de la force de la structure spirale. / In my PHD work I explored the links between the physical properties of interstellar dust and other components of nearby spiral galaxies especially their stellar content. I worked on 46 disk galaxies from KINGFISH with IRAC/MIPS/PACS/SPIRE maps (3.6 - 500 microns). A bias is usually introduced in estimating disk orientations by using only a single surface brightness isophote. Thus I devised different surface brightness levels separated by constant steps in surface brightness and extracted isophotes at these levels in all FIR maps as well as in all IRAC 4.5 microns maps. To further assess the coherence of the shapes of isophotes across galactic disks, I built a quantitative indicator of the difference in shape between two ellipses with same center and same semi-major axis.I defined an acceptable level of difference between isophote shapes, by comparing disk orientations found in litterature. Using this level, I found regions inside the galactic disks where the isophotal shapes are similar. From these, I extracted one disk orientation per wavelength band. I found in the vast majority of the disk galaxy maps, be it dominated by stellar or dust emission, that a large fraction of the isophotes I extracted are coherent with the idea of an underlying disk. Comparing, for each galaxy, disk orientations extracted at all wavelengths, I found evidence in 20 galaxies out of 46, that on radial ranges as large as 1/3 of the visible disk (as measured by R25), the shapes of isophotes are morphologically similar. Thus for these 20 galaxies I devised consistent disk orientations both for the stellar and dust content. These 20 galaxies are less luminous, less emitting in the IR w.r.t. the optical, less barred, and characterized by later stage types than average. I also found that the disk orientations devised by my photometric method yield results more similar to H-alpha kinematic orientations than other photometric studies based on a single isophote level.Using the orientations I found and H-alpha dynamics disk orientations, I averaged azimuthally surface brightnesses to produce radial spectral energy distributions (SED) profiles. Once fitted with a cosmic dust emission model, they resulted in radial profiles of dust and stellar content properties. I found the dust intercepted power to be proportionnal to the product of the total dust mass and the average ISRF shining on dust. This former quantity is better correlated with the bolometric stellar luminosity than any of the dust mass or the dust heating ISRF separately. Thus the old stellar populations may be an important heating source for dust. The power intercepted by dust is also very well correlated with the total infrared power. The dust intercepts a larger quantity of power coming from stars in more actively star forming galaxies.Dust exhibit radial mass surface density profiles less well described by Sersic functions than stellar ones. When both profiles are well fitted by Sersic functions, stellar density profiles have smaller half mass radii than the isophotal optical radius (R25) separately in later type galaxies, but also in more quiescent galaxies. Sersic index and half mass radius distributions have larger widths for dust than for stellar surface density profiles.I also found that the ratio of dust over stellar surface density is an important factor to explain the variations with galactic morphological type of the ratio of dust intercepted power over the power emitted by old stellar populations. This later link could be intertwined with spiral structure strength in stage types later than 2.

Cette thèse a pour but de faire le lien entre l’évolution des galaxies, leur morphologie et les processus physiques internes, notamment la formation stellaire comme le résultat du milieu interstellaire turbulent et multiphase, en utilisant les simulations cosmologiques zoom-in, les simulations des galaxies isolées et en interaction, et le modèle analytique de la formation stellaire. Dans le chapitre 1, j’explique la motivation pour cette thèse et je passe brièvement en revue le contexte nécessaire lié à la formation des galaxies et la modélisation en utilisant les simulations numériques. Tout d’abord, j’explore l’évolution de la morphologie des galaxies du type de la Voie Lactée dans la série des simulations cosmologiques zoom-in à travers l’analyse des barres. J’analyse l’évolution de la fraction des barres avec le redshift, sa dépendance en fonction de la masse stellaire et l’histoire d’accrétion de galaxies individuelles. Je montre en particulier, que la fraction de barres décroit avec le redshift croissant, en accord avec les observations. Ce travail montre également que les résultats obtenus suggèrent que l’époque de la formation des barres correspond à la transition entre une phase précoce “violente” de la formation de galaxies spirales à z > 1, pendant laquelle elles sont souvent perturbées par les fusions avec les galaxies de masse comparable ou par multiple fusions avec les galaxies de petite masse, mais aussi les instabilités violentes de disque, et une phase "séculaire" tardive à z < 1, quand la morphologie finale est généralement stabilisée vers une structure dominée par le disque. Cette analyse est présentée dans le chapitre 2. Étant donné que ces simulations cosmologiques forment trop d'étoiles trop tôt par rapport aux populations de galaxies observées, je me concentre dans le chapitre 3 sur la formation stellaire dans un échantillon de simulation de galaxies en isolation, à bas redshift, et à résolution du parsec et sous-parsec. J'étudie l'origine physique de leurs relations de formation stellaire avec les cassures, et montre que le seuil de densité surfacique pour une formation stellaire efficace peut être lié à la densité caractéristique d'apparition de turbulence supersonique. Ce résultat s'applique aussi bien aux galaxies qui fusionnent, dans lesquelles l'augmentation de la turbulence compressive déclenchée par les marées compressives les conduit au régime de sursaut de formation d'étoiles. Un modèle analytique idéalisé de formation stellaire liant la densité surfacique de gaz au taux de formation stellaire comme une fonction de la présence de turbulence supersonique et la structure associée du milieu interstellaire est ensuite présenté dans le chapitre 4. Ce modèle prédit une cassure à basse densité de surface qui est suivie par un régime de loi de puissance à haute densité dans différents systèmes en accord avec les relations de formation stellaire des galaxies observées et simulées. La dernière partie de cette thèse est dédiée à la technique alternative de zoom-in cosmologique (Martig et al. 2009) et son implémentation dans le code à raffinement de maillage adaptatif RAMSES. Dans le chapitre 5, je présente les caractéristiques de base de cette technique aussi bien que certains de nos tout premiers résultats dans le contexte de l'accrétion cosmologique diffuse. / This thesis aims at making the link between galaxy evolution, morphology and internal physical processes, namely star formation as the outcome of the turbulent multiphase interstellar medium, using the cosmological zoom-in simulations, simulations of isolated and merging galaxies, and the analytic model of star formation. In Chapter 1, I explain the motivation for this thesis and briefly review the necessary background related to galaxy formation and modeling with the use of numerical simulations. I first explore the evolution of the morphology of Milky-Way-mass galaxies in a suite of zoom-in cosmological simulations through the analysis of bars. I analyze the evolution of the fraction of bars with redshift, its dependence on the stellar mass and accretion history of individual galaxies. I show in particular, that the fraction of bars declines with increasing redshift, in agreement with the observations. This work also shows that the obtained results suggest that the bar formation epoch corresponds to the transition between an early "violent" phase of spiral galaxies formation at z > 1, during which they are often disturbed by major mergers or multiple minor mergers as well as violent disk instabilities, and a late "secular" phase at z < 1, when the final morphology is generally stabilized to a disk-dominated structure. This analysis is presented in Chapter 2. Because such cosmological simulations form too many stars too early compared to observed galaxy populations, I shift the focus in Chapter 3 to star formation in a sample of low-redshift galaxy simulations in isolation at parsec and sub-parsec resolution. I study the physical origin of their star formation relations and breaks and show that the surface density threshold for efficient star formation can be related to the typical density for the onset of supersonic turbulence. This result holds in merging galaxies as well, where increased compressive turbulence triggered by compressive tides during the interaction drives the merger to the regime of starbursts. An idealized analytic model for star formation relating the surface density of gas and star formation rate as a function of the presence of supersonic turbulence and the associated structure of the ISM is then presented in Chapter 4. This model predicts a break at low surface densities that is followed by a power-law regime at high densities in different systems in agreement with star formation relations of observed and simulated galaxies. The last part of this thesis is dedicated to the alternative cosmological zoom-in technique Martig et al. 2009 and its implementation in the Adaptive Mesh Refinement code RAMSES. In Chapter 5, I will present the basic features of this technique as well as some of our very first results in the context of smooth cosmological accretion.