Il y a presque dix ans que l'accélération de l'expansion de l'Univers a été mise en évidence grâce aux observations des supernovae de type Ia et du fonds diffus cosmologique. Cette découverte a changé notre compréhension du contenu énergétique de l'Univers puisque pour expliquer une telle accélération, une composante supplémentaire de matière (effective ou non) est nécessaire et contribue à hauteur de 70%. Cette dernière est appelé «énergie noire». Elle affecte aussi bien les mesures de distance, que la croissance des sur-densités de matières primordiales qui donnent naissance aux structures. Les principales sondes sensibles à ces deux dernières quantités sont les supernovae de type Ia, les amas de galaxies, les lentilles gravitationnelles, et les oscillations acoustiques des baryons (BAO). Afin de contraindre précisément les modèles théoriques (Constante Cosmologique, modification de la théorie de la relativité générale par exemple) qui tentent de déterminer la nature de l'énergie noire, l'observation de chacune de ces quatre sondes est indispensable. Le niveau de précision sur la mesure des paramètres des modèles d'énergie noire requis est tel qu'une nouvelle génération d'instruments va voir le jour dans les années à venir avec notamment le télescope LSST (Large Synoptic Survey Telescope). Le télescope LSST dont le miroir primaire fait 8.4 mètres de diamètre, produira un sondage couvrant la moitié du ciel observable dans 6 bandes photométriques pendant 10 ans. Sa caméra sera la plus grosse caméra jamais construite dans le monde avec un plan focal de 3.2 milliards de pixels. Cette thèse présente à la fois un aspect expérimental et phénoménologique. Le travail présenté porte tout d'abord sur l'élaboration du banc d'étalonnage de la caméra de LSST, et des premières mesures optiques validant le schéma de principe du banc. Nous présenterons ensuite la simulation des BAO dédiée à LSST tentant de prédire à quelle précision les paramètres d'énergie noire pourront être contraint. L'accent est mis sur la production d'un catalogue photométrique de galaxies simulé ainsi que sur une méthode de calcul des redshifts photométriques. La validation de la méthode grâce à des données spectro-photométriques du CFHTLS est également présentée. / More than ten years ago, the accelerated expansion of the Universe was discovered, by type Ia supernovae, and then confirmed by other probes. This discovery has changed our understanding of the energetic content of the Universe. Indeed, in order to explain such an acceleration, a new component has to be introduced and it must contribute to 70% of the total energy density. This component, the so called Dark Energy, affects both cosmological distances and the growth of structures from which galaxies originates. The main cosmological probes of dark energy are the type Ia supernovae, the galaxy cluster count, the weak gravitational lensing and the baryon acoustic oscillations (BAO). In order to precisely constrain theoretical models, such as the cosmological constant, a modify gravity or a new scalar field, joint observations of all four probes are very efficient. The required accuracy on cosmological measurements is so high that a new generation of instruments is growing, among which the Large Synoptic Survey Telescope (LSST). The telescope, with a primary mirror of 8.4 m diameter, will cover half of the optical sky in six photometric bandpasses. Its camera will be the world biggest camera ever constructed with a focal plane array composed of 3.2 Gpixels. This thesis treats both the experimental and phenomenological aspects. Firstly, the work presented here consists in the development of the LSST camera calibration optical bench. We have designed a system allowing an efficient commissioning of the camera before its installation on the telescope, and a precise calibration of the focal plane. Preliminary measurements validating the design of the bench will be presented. Secondly, a detailed Baryon Acoustic Oscillations simulation dedicated to LSST will be introduced. Its main goal is to predict the level of precision on the dark energy equation of state parameter reconstruction that will be reached with LSST. We will stress on the production of a mock photometric galaxy catalog and on the photometric redshifts computation. A validation of the method on real spectro-photometric from CFHTLS will also be shown.

Les théories de grande unification (GUT) impliquent des transitions de phase dans l'Univers primordial, qui pourraient donner naissance à des défauts topologiques, parmi lesquels on trouve des monopôles magnétiques. Les principales caractéristiques de ces monopôles sont présentées, notamment leurs pertes d'énergie dans la matière et les limites sur leur flux. Les télescopes à neutrinos de haute énergie offrent une nouvelle opportunité pour leur recherche. L'étude du traitement des impulsions des photomultiplicateurs par l'électronique de lecture du détecteur Antares indique que celle-ci est bien adaptée aux besoins du télescope. L'analyse détaillée des impulsions permet d'obtenir une précision finale sur la mesure temporelle inférieure à 0.6 ns et le bruit électronique et la saturation ont peu d'effet sur les performances du télescope. Les monopôles relativistes émettent une grande quantité de lumière qui conduit à une surface effective de détection pour le télescope Antares allant de 0.06 km2 pour des vitesses beta_mon = 0.6, à 0.35 km2 pour des vitesses beta_mon ~ 1. La trace des monopôles est bien reconstruite et la détermination de leur vitesse est faite avec une erreur inférieure à quelques pourcents, ce qui constitue un élément déterminant pour le rejet du bruit de fond causé par les muons de haute énergie, de vitesse beta_mu ~ 1. L'émission lumineuse très dispersée des monopôles en dessous de la limite Tcherenkov, 0.6 < beta_mon < 0.74, via les delta-électrons d'ionisation, ne permet pas une caractérisation précise du signal attendu et le rejet des muons mal reconstruits doit être amélioré. Au delà de la limite Tcherenkov, beta_mon > 0.8, les muons mal reconstruits peuvent être rejetés grâce à la paramétrisation de l'émission Tcherenkov. Le signal d'un monopôle magnétique se distingue alors clairement du bruit de fond.

L'astrophysique des neutrinos de haute énergie est une branche relativement récente dans l'astrophysique des particules. L'observation de ces neutrinos nécessite la construction de nouveaux types de télescopes immenses. Après une phase de recherche et de développement pendant laquelle elle a démontré la faisabilité d'une telle entreprise en milieu sous-marin, la collaboration ANTARES construit maintenant un télescope à neutrinos avec une surface de 0,1 km². Le détecteur, exposé à un taux élevé de bruit de fond ambiant, doit être capable de reconnaître un faible signal physique, ce qui nécessite un déclenchement à la fois puissant et efficace. Nous présentons ici une analyse des différentes possibilités d'un déclenchement local. A l'issue de cette étude, la définition du déclenchement final du détecteur est devenue possible. Nous présentons également une étude des performances du détecteur envisagé. L'analyse nécessite la simulation d'événements de très haute énergie (TeV-PeV). A ces énergie les programmes de simulation utilisent des hypothèses différentes, ce qui a nécessité une comparaison de leurs résultats avant utilisation. Une caractéristique importante d'un télescope à neutrinos est sa résolution angulaire. Celle d'ANTARES, obtenue dans cette thèse est de l'ordre de 0,5° pour les muons ascendants et inférieure à 1° pour les muons descendants. Une détection de l'ombre de la Lune, dont nous avons étudié la faisabilité, permet de vérifier ce résultat après 2-5 ans de prise de données.

Le télescope ANTARES, grâce auquel j'ai réalisé mon travail de thèse, permet d'étendre notre observation de l'univers au travers des neutrinos. Celui-ci est maintenant arrivé au terme de sa construction au large des côtes méditerranéennes à une profondeur de ~2500m et consiste à détecter, par l'intermédiaire de photomultiplicateurs, la lumière Čerenkov produite lors du passage d'un muon (produit de l'interaction neutrino/milieu terrestre par courant chargé) dont la vitesse est supérieur à la vitesse de la lumière dans lemilieu (l'eau). Sa direction reconstruite nous permet alors d'en déduire son origine. Nous sommes actuellement à 12 lignes déployées et connectées sur le site depuis la fin Mai 2008 avec lesquelles un très grand nombre de muons ont déjà été collectés. Chaque ligne verticale possède une batterie de 25 étages équipés chacun de trois PMTs avec l'électronique associée. Ma thèse a donc consisté à calibrer, avant le déploiement de chaque ligne, les photomultiplicateurs en temps et en charge afin d'en extraire les données nécessaires à la reconstruction et l'identification de traces de muons montants ou descendants (d'origine astrophysique ou atmosphérique). Ainsi, c'est grâce aux informations directionnelles que la détection indirecte de matière noire devient possible dans le cas par exemple de son auto-annihilation au sein du Soleil.

Le télescope à neutrinos ANTARES est situé à 2500 mètres de profondeur, et est composé d'un réseau de 900 photomultiplicateurs installés pour la détection de la lumière Cherenkov émise par des muons, induits par l'interaction de neutrinos avec la matière, et dans le but de reconstruire leur direction. Cependant en outre d'être en mesure de détecter des neutrinos de hautes énergies, les télescope à neutrinos pourraient mesurer le passage de monopôles magnétiques dans le détecteur. Dans ce travail, ont été présentées tout d'abord les différentes méthodes d'étalonnage utilisées afin de caractériser les photomultiplicateurs, qui sont le cœur d'un télescope à neutrinos. La possibilité de détecter des monopôles magnétiques avec ANTARES a ensuite été abordée, puis une première analyse optimisée pour la recherche de monopôles de hautes vitesses a montré la grande sensibilité offerte par le télescope. Enfin, un algorithme de reconstruction de traces a été modifié, et une nouvelle analyse cette fois sensible sur une plus grande gamme de vitesse a été effectuée. Après l'application de la dernière analyse sur les données prises en 2008 par le télescope ANTARES, de nouvelles limites supérieures sur le flux de monopôles magnétiques ascendants de masse inférieure 'a 1014 GeV ont finalement été obtenues, et sont les meilleures contraintes expérimentales sur leur flux pour la région de vitesse β " [0.625, 0.995].

Mes recherches ont eu pour but principal de trouver des signatures astrophysiques des trous noirs dans les systemes binaires d'étoiles. Comme je le montre dans ce mémoire, les astronomies X et γ semblent bien adaptées pour ces recherches. J'ai donc participé à la définition d'instruments X et γ, tout d'abord dans le cadre de la mission franco-russe Granat/Sigma puis dans celui de la mission de l'Agence Spatiale Européenne Integral. Mon rôle y a été de modéliser aussi précisément que possible la réponse des instruments, grâce à des simulations Monte-Carlo. Dans le cadre de la mission Integral, j'ai aussi contribué à définir et à réaliser les étalonnages au sol du satellite complet (étalonnage " end to end "), et à réaliser avec mon étudiant, Michaël Forot, le logiciel pour traiter les données dites " Compton " du télescope Integral/Ibis. Ces études nous ont permis, mon collègue Olivier Limousin et moi, de déposer un brevet sur une nouvelle γ-caméra permettant l'imagerie 3D de sources radioactives. Grâce aux données γ récoltées par Sigma et Integral, j'ai étudié, avec Marion Cadolle- Bel, les systèmes binaires contenant un trou noir de masse stellaire. Celui-ci accréte la matière de l'étoile compagnon donnant lieu à une émission X et γ, dont le processus d'émission, lié principalement à l'effet Compton sur les électrons chauds du plasma entourant le trou noir, est décrit dans le mémoire. Le résultat majeur de ce travail fut l'observation avec l'observatoire Integral du candidat trou noir, Cygnus X-1, en particulier lors d'un changement d'état en juin 2003 et lors de son éruption de septembre 2006. Enfin, j'ai modélisé la signature X/γ de trous noirs, comme il est décrit au chapitre 4. Cette modélisation s'est faite grâce à un modèle que j'ai développé avec Lev Titarchuk, modèle qui montre que le spectre observé de candidat trou noir peut être expliqué en considérant des photons X faisant un effet Compton inverse sur les électrons tombant en chute libre dans le trou noir. Ce modèle original, basé sur des simulations Monte-Carlo en Relativité Générale, a fait l'objet de plusieurs publications. Nous avons aussi étudié l'élargissement de la raie du fer, une autre signature très connue des trous noirs dans le domaine des X mous. Nous avons montré que cet élargissement pourrait être plutôt dû à la propagation des photons de fluorescence dans un vent, ce qui ne nécessiterait pas la présence d'un trou noir. Cet élargissement pourrait donc être une signature de trous noirs controversée. Dans les années à venir, je continuerai la définition de télescopes nouveaux, en particulier en optimisant les performances du projet d'astronomie spatiale Simbol-X. Ce projet prévoit, par le moyen de deux satellites en formation, d'étendre la technique de focalisation par incidence rasante aux rayons X durs afin d'étudier les phénomènes non thermiques de notre Univers. Je superviserai aussi la conception et la réalisation de l'anticoïncidence de Simbol-X, afin d'obtenir un bruit de fond sur les détecteurs aussi faible que possible. Notre expérience sur Simbol-X pourra aussi nous servir, de manière plus générale, de support aux développements de futures missions X et γ, comme par exemple l'observatoire IXO prévu par la NASA et l'ESA. Les futures observations Integral, d'un autre coté, me permettront d'observer les trous noirs accrétants au MeV, et potentiellement, grâce au mode Compton, de mesurer leur état de polarisation, ce qui n'a encore jamais été fait dans cette gamme d'énergie. Enfin, nous développons avec L. Titarchuk un modèle de création de paires électrons-positrons au voisinage d'un trou noir, qui aura de nombreuses conséquences observationnelles qu'il nous faudra étudier.

La première partie de ce document résume les arguments astrophysiques permettant de supposer l’existence de matière noire. Le modèle cosmologique ΛCDM y est présenté ainsi que la notion de section efficace d’auto-annihilation de matière noire. Les galaxies naines satellites de la Voie Lactées, sources de notre étude, sont introduites dans un second chapitre. Après un rappel des grandes structures qui composent l’univers, les problématiques liées aux galaxies naines sont abordées : nombre de ces galaxies, distribution de la densité de matière noire en leur sein et forces de marées dues à la Voie Lactée.La seconde partie discute de la modélisation de la densité de matière noire dans les galaxies naines. La méthode employée, utilisant l’équation de Jeans et la dispersion des vitesses projetées des étoiles, y est présentée. Trois profils de matière noire sont retenus : NFW, Burkert et Einasto ainsi que quinze galaxies naines. La production de neutrinos lors de l’auto-annihilation de matière noire est ensuite abordée. Les spectres énergétiques des neutrinos produits sont générés avec le logiciel PYTHIA puis comparé avec d’autres résultats pour le centre galactique. Vingt-trois hypothèses de masse du candidat de matière noire sont choisies, allant de 25 GeV/c2 `a 100 TeV/c2. Cinq canaux d’auto-annihilation sont sélectionnés pour l’analyse : χχ → b¯b, W+W−, τ+τ−, μ+μ−, νμ ¯ νμ. La troisième partie comporte une présentation du détecteur utilisé pour l’étude, le télescope à neutrinos ANTARES. Trois algorithmes de reconstruction développés et utilisés au sein de la collaboration y sont également détaillés : AAFit, BBFit et GridFit. L’analyse des données d’ANTARES ayant pour but de mettre en évidence un excès de neutrinos caractéristique de l’auto-annihilation de matière noire est résumée dans le sixième et dernier chapitre. Aucun excès n’ayant été observé, une limite sur la section efficace d’auto-annihilation de matière noire a été déterminée. / The first part of this document summarizes the astrophysical arguments to suppose the existence of dark matter. The cosmological model ΛCDM is presented as well as the concept of cross section of dark matter self-annihilation. Dwarf galaxies satellites of the Milky Way, the sources of our study are introduced into a second chapter. After recalling the large structures that make up the universe, the issues related to dwarf galaxies are addressed : missing satellites problem, distribution of dark matter density within them and tidal forces due to the Milky Way. The second part discusses the modeling of the dark matter density in dwarf galaxies. The methodology, using the Jeans equation and dispersion of projected stars velocities, is presented. Three dark matter profiles are retained : NFW, Burkert and Einasto and fifteen dwarf galaxies.Neutrino production during the self-annihilation of dark matter is then addressed. The energy spectra of neutrinos are generated with PYTHIA software and compared with other results for the galactic center. Twenty-three assumptions of mass dark matter candidates are chosen, ranging from 25 GeV/c2 100 TeV/c2. Five self-annihilation channels are selected for analysis : χχ → b¯b, W+W− τ+τ− μ+μ− νμ ¯ νμ. The third part includes a presentation of the detector used for the study, the ANTARES neutrino telescope. Three reconstruction algorithms developed and used in collaboration are also detailed : AAFIT, BBFit and GridFit. The analysis of data ANTARES aimed to find a neutrinos excess characteristic of dark matter self-annihilation is summarized in the sixth and final chapter. No excess was observed, a limit on the cross section of dark matter self-annihilation was determined.

La thèse porte sur le développement d’un petit prototype de télescope Compton pour l'astronomie gamma spatiale dans la gamme d’énergie du MeV (0.1-100 MeV). Nous avons étudié de nouveaux modules de détection destinés à l'imagerie Compton. Nous avons assemblé et testé deux détecteurs à scintillation, l'un avec un cristal de bromure de lanthane dopé au cérium (LaBr₃:Ce) et l'autre avec un cristal de bromure de cérium (CeBr₃). Les deux cristaux sont couplés à des photomultiplicateurs multi-anodes 64 voies sensibles à la position. Notre objectif est d’optimiser la résolution en énergie en même temps que la résolution en position du premier impact d'un rayon gamma incident dans le détecteur. Les deux informations sont vitales pour la reconstruction d'une image avec le prototype de télescope à partir de l’effet Compton. Nous avons développé un banc de test pour étudier expérimentalement les deux modules, avec une électronique de lecture et un système d'acquisition de données dédiés. Nous avons entrepris un étalonnage précis du dispositif et effectué de nombreuses mesures avec différentes sources radioactives. En outre, nous avons réalisé une simulation numérique détaillée de l'expérience avec le logiciel GEANT4 et effectué une étude paramétrique extensive pour modéliser au mieux la propagation des photons ultraviolet de scintillation et les propriétés optiques des surfaces à l'intérieur du détecteur. Nous avons alors développé une méthode originale de reconstruction de la position d’impact en 3D, en utilisant un réseau de neurones artificiels entrainé avec des données simulées. Nous présentons dans ce travail tous les résultats expérimentaux obtenus avec les deux modules, les résultats de la simulation GEANT4, ainsi que l'algorithme basé sur le réseau de neurones. En plus, nous donnons les premiers résultats sur l'imagerie Compton obtenus avec le prototype de télescope et les comparons avec des performances simulées. Enfin, nous concluons en donnant un aperçu des perspectives d'avenir pour l'imagerie gamma Compton et considérons une application possible en discutant d’un concept de télescope spatial semblable à notre prototype. / The thesis aims to develop a small prototype of a Compton telescope for future space instrumentation for gamma-ray astronomy. Telescope’s main target is the MeV range (0.1-100MeV). We studied novel detector modules intended for Compton imaging. We assembled and tested 2 modules, one with a cerium-doped lanthanum(III) bromide (LaBr₃:Ce) crystal and the other with cerium(III) bromide (CeBr₃). Both modules are coupled to and read out by 64-channel multi-anode PMTs. Our goals are to obtain the best possible energy resolution and position resolution in 3D on the first impact of an incident gamma-ray within the detector. Both information are vital for successful reconstruction of a Compton image with the telescope prototype. We developed a test bench to experimentally study both modules and have utilized a customized readout electronics and data acquisition system. We conducted a precise calibration of the system and performed experimental runs utilizing different radioactive sources. Furthermore, we have written a detailed GEANT4 simulation of the experiment and performed an extensive parametric study on defining the surfaces and types of scintillation propagation within the scintillator. We utilized simulated data to train an Artificial Neural Network (ANN) algorithm to create a simplified 3D impact position reconstruction method and in addition developed an approximation routine to estimate the standard deviations for the method. We show all experimental results obtained by both modules, results from the GEANT4 simulation runs and from the ANN algorithm. In addition, we give the first results on Compton imaging with the telescope prototype and compare them with simulated performance. We analyzed and discussed the performance of the modules, specifically spectral and position reconstruction capabilities. We conclude by giving an overview of the future prospects for gamma-ray imaging and consider possible applications showing a concept of a space telescope based on our prototype.

Le besoin tant en haute qualité d'imagerie qu'en structures légères est l'un des principaux moteurs pour la conception des télescopes spatiaux. Un contrôle e fficace du front d'onde va donc devenir indispensable dans les futurs grands observatoires spatiaux, assurant une bonne performance optique tout en relâchant les contraintes sur la stabilité globale du système. L'optique active consiste à contrôler la déformation des miroirs, cette technique peut être utilisée afin de compenser la déformation des grands miroirs primaires, afin de permettre l'utilisation d'instrument reconfigurable ou afin de fabriquer des miroirs asphériques avec le polissage sous contraintes. Dans ce manuscrit, la conception de miroirs actifs dédiés à l'instrumentation spatiale est présentée. Premièrement, un système compensant la déformation d'un grand miroir allégé dans l'espace est conçu et ses performances sont démontrées expérimentalement. Avec 24 actionneurs, le miroir MADRAS (Miroir Actif Déformable et Régulé pour Applications Spatiales) e ffectuera une correction e fficace du front d'onde dans un relais de pupille du télescope. Deuxièmement, un harnais de déformation pour le polissage sous contraintes des segments du télescope géant européen de 39 m (E-ELT) est présenté. La performance du procédé est prédite et optimisée avec des analyses éléments finis et la production en masse des segments est considérée. Troisièmement, deux concepts originaux de miroirs déformables avec un nombre minimal d'actionneurs ont été développés. VOALA (Variable O ff-Axis parabola) est un système à trois actionneurs et COMSA (Correcting Optimized Mirror with a Single Actuator) est un système à un actionneur. Les systèmes actifs présentés dans ce manuscrit off rent de nombreux avantages pour une utilisation dans les futurs grands observatoires spatiaux: nombre de degrés de liberté limités, compacité, légèreté, robustesse et fiabilité. Ils permettront d'importantes ruptures technologiques et l'apparition d'architectures de télescope innovantes.

Les amas globulaires contiennent deux classes de sources X se différenciant par leur luminosité. Tout d'abord, les sources X brillantes (Lx>10^36 ergs/s), qui sont des binaires X de faible masse identiques à celles contenues dans le disque galactique. La seconde classe regroupe les objets de luminosité X faible (LX<10^34.5 ergs/s). Elle est composée d‟objets de natures diverses, principalement des systèmes binaires où l'accrétion de matière sur l'un des deux composants (une étoile à neutrons, une naine blanche) est responsable de l'émission X observée. Déterminer la population de sources X des amas globulaires permet donc d'étudier les mécanismes de formation des systèmes binaires, lesquels jouent un rôle fondamental dans l'évolution des amas globulaires en assurant leur équilibre dynamique. Cette thèse est centrée sur l'étude des populations X de 4 amas globulaires observés avec les satellites XMM-Newton ou Chandra : Omega Cen, M13, M22 et NGC 6366. Notre échantillon nous a permis d‟étudier les populations de sources X faibles et de tester les scénarii de formation des binaires en fonction de divers paramètres comme la masse, la taille et la densité stellaire de l‟amas. Nous avons associé des sources X faibles à chaque amas (respectivement 30, 5, 2 et 1). Ces sources se trouvent dans le coeur des amas. Nous avons également détecté un excès significatif de sources dans les régions externes d‟Omega Cen. Nous avons enfin découvert une binaire X de faible masse avec une étoile à neutrons dans M13 (sa contrepartie a été recherchée dans les données du télescope spatial Hubble). Nous montrons que le nombre de binaires X de faible masse avec une étoile à neutrons contenues dans un amas est corrélé avec le taux de collision stellaire. Ceci pourrait indiquer que ces binaires sont formées par la capture gravitationnelle par une étoile à neutrons d‟un autre astre dans le coeur des amas. Nous avons également étudié les mécanismes de formation des autres catégories de binaires.