Dissertationen zum Thema „Astrophysique – Expériences“

Plusieurs missions sur satellite sont proposées pour résoudre un grand nombre de questions sans réponse concernant l'univers. Les instruments sur certaines de ces missions nécessitent des températures inférieures à 0,1 K pour fonctionner efficacement. Cette exigence signifie que la chaîne de refroidissement est un élément crucial de la conception du satellite. Les spécifications cryogéniques de ces futures missions sont plus exigeantes que l'état de l'art actuel : elle auront besoin d'une puissance frigorifique plus élevée à une température inférieure et avec à une durée de vie prolongée de 5 à 10 ans. Cela a motivé le développement d'un réfrigérateur à dilution 3He-4He en boucle fermée. Cette conception est basée sur le réfrigérateur à dilution à cycle ouvert utilisé sur le satellite Planck, dont la durée de vie et la puissance frigorifique ont été limitées par la quantité d'3He et d'4He à bords, le mélange étant éjecté dans l'espace après le processus de dilution . Pour surmonter ces limitations, le cycle a été fermé par la séparation des isotopes de l'hélium à basse température avant de les réinjecter dans le réfrigérateur . Cette thèse décrit les progrès réalisés dans le développement et dans la compréhension de ce nouveau système, et montre que les exigences de refroidissement (1 µW à 50 mK) peuvent être satisfaites dans les conditions requises. Ce travail tente également de résoudre un problème lié à la micro-gravité : la séparation de phase liquide-vapeur dans le bouilleur. Nos résultats expérimentaux montrent que le confinement du liquide dans le bouilleur dans les conditions requises et en gravité négative est possible. Ces résultats ont guidé la conception d'un nouveau bouilleur non-sensible à la gravité, dernière étape du développement d'un réfrigérateur à dilution en boucle fermée adapté à la micro-gravité.

Les naines blanches magnétiques composent certains systèmes binaires particuliers qui accrètent la matière de leur compagnon sous la forme d’une colonne d’accrétion. Le flot de matière confiné par les lignes de champ magnétique, tombe à une vitesse supersonique au niveau du ou des pôles magnétiques de la naine blanche. Lors de l’impact, un choc d’accrétion est généré et la matière choquée se structure sous l’effet de processus radiatifs complexes. Dans ce travail, nous présentons des données observationnelles, des données de simulations numériques à l’échelle astrophysique, des études théoriques et enfin des données expérimentales obtenues sur différentes installations laser ainsi que leurs simulations numériques associées. Tout d’abord, des approches théoriques et numériques à l’échelle astrophysique permettent de décrire la structure et la dynamique de la colonne d’accrétion. En particulier, nous avons étudié l’origine d’oscillations rapides observées dans les courbes de lumière de certains objets. Puis, nous avons complété ces études par une approche expérimentale afin de construire des maquettes aux dimensions millimétriques en laboratoire des phénomènes hydro-radiatifs présents dans les colonnes d’accrétion grâce à l’utilisation de lasers de puissance. Des résultats expérimentaux obtenus sur l’installation GEKKO XII et leurs interprétations sont présentés. Enfin, nous avons optimisé un nouveau schéma expérimental en attaque indirecte pour atteindre un régime similaire sur les installations mégajoules. Les données extraites de ces expériences permettront d’apporter des éléments essentiels pour améliorer la modélisation astrophysique
Magnetic white dwarfs are part of some binary systems which accrete matter from their companion star as an accretion column. The accretion flow confined by the magnetic field lines falls at a supersonic velocity onto the magnetic poles of the white dwarf. At the impact, an accretion shock is generated and the post-shock region is structured as a result of the effects of complex radiative processes. In this work, we present observational data, astrophysical numerical data, theoretical studies and finally experimental data obtained on different laser facilities as well as their associated numerical simulations. First, theoretical and numerical studies at the astrophysical scale describe the structure and the dynamics of the accretion column. In particular, we have studied the origin of rapid oscillations observed in the optical light curves of some objects. Then, we have completed these studies with an experimental approach to build laboratory millimetre-scaled models of the radiation hydrodynamic processes occurred in the accretion column through powerful lasers. Experimental results obtained on the GEKKO XII laser facility and their interpretations are presented. Finally, we have optimized a new experimental design to achieve a similar regime on megajoule facilities in indirect drive. The data obtained from such experiments will provide new insights to improve astrophysical modelling

La molécule NH est cruciale dans la chimie de l'azote interstellaire car elle est un intermédiaire lors de la formation d'ammoniac dans l'MIS. L'abondance de cette espèce est une sonde cruciale de la chimie de l'azote. Avec les progrès des techniques d'observation, des transitions hautement résolues de ces molécules dans l'MIS ont été observées. Cependant, les rapports d'abondance observés des hydrures d'azote ne correspondent pas aux modèles astrochimiques. Les isotopologues sont utilisés pour sonder les voies chimiques. Pour une analyse précise de ces observations spectrales, des méthodes de modélisation non-LTE sont utilisées qui nécessitent des coefficients de taux de collision NH et ND précis. Dans ce travail, nous présentons des coefficients de taux résolus fins et hyperfins pour la (dé-)excitation de NH/ND due aux collisions avec He et celle de NH avec H2 qui devraient permettre une détermination précise de l'abondance de NH à partir des spectres d'observation. Dans cette thèse, nous présentons des PES ab initio hautement corrélés des NH-He et NH-H2 complexes Van der Waals. Les calculs des coefficients de taux état-à-état résolus fins et hyperfins pour les collisions NH-He ont été effectués en utilisant le nouveau PES pour les températures jusqu'à 350 K et les collisions ND-He pour les températures jusqu'à 200 K. De la comparaison, nous observons qu'il y a une différence significative entre les coefficients de taux actuels et précédents, qui est attribuée essentiellement à l'inclusion de l'effet vibrationnel dans les nouveaux calculs et à la comparaison entre les résultats NH-He et ND-He montre l'importance de calculer explicitement les coefficients de taux ND-He. Nous présentons également les premiers calculs pour NH-H2. Étant donné que les coefficients de taux He et H2 diffèrent considérablement, les ensembles de données collisionnelles NH-He et NH-H2 devraient être utilisés pour réviser l'abondance de NH dans l'espace
NH molecule plays a crucial role in the interstellar nitrogen chemistry as it acts as an intermediate during the formation of the ubiquitous ammonia. Abundance of this species is a crucial probe of the nitrogen chemistry. With the advancements in the observational techniques, highly resolved transitions of these molecules in the ISM have been observed. However, the observed abundance ratios of nitrogen hydrides do not match with astrochemical models. The isotopologues are used to probe chemical pathways. For accurate analysis of these spectral observations, non-LTE modeling methods are employed which requires accurate NH and ND collisional rate coefficients. In this work, we present fine and hyperfine resolved rate coefficients for the (de-)excitation of NH/ND due to collisions with He and that of NH with H2 that should allow accurate determination of the NH abundance from the observational spectra. In this thesis we present highly correlated ab initio PESs of the NH-He and NH-H2 Van der Waals complexes. Calculations of fine and hyperfine resolved state-to-state rate coefficients for NH-He collisions were performed using the new PES for temperatures up to 350 K and ND-He collisions for temperatures upto 200 K. From the comparison, we observe that there is a significant difference between the present and previous rate coefficients, which is attributed essentially to the inclusion of vibrational effect in the new calculations and comparison between NH-He & ND-He results shows the importance of calculating ND-He rate coefficients explicitly. We also present the first calculations for NH-H2. As the He and H2 rate coefficients differ significantly, both the NH-He and NH-H2 sets of collisional data should be used to revise the NH abundance in space

L'hydrodynamique radiative est le domaine dans lequel gaz et rayonnement interagissent dynamiquement. Ses champs d'application sont très vastes, de l'astrophysique à la fusion par confinement inertiel.

Lors de cette thèse, un code numérique parallèle tridimensionnel d'hydrodynamique radiative baptisé HERACLES a été développé. Il s'appuie sur le modèle M1 qui permet de traiter un rayonnement à forte anisotropie. De nombreux tests ont validé HERACLES sur une grande variété de conditions physiques, dont le régime semi-transparent et la diffusion des photons, ses résultats étant comparables aux codes Monte-Carlo. Il a ensuite été utilisé dans deux thématiques.

La première concerne les chocs radiatifs, phénomènes astrophysiques reproduits sur Terre grâce aux lasers de puissance. HERACLES a mis en évidence l'influence de différents paramètres sur l'évolution d'un tel choc : le rapport de la largeur du canal de propagation sur le libre parcours moyen de photons, l'albédo des parois... Il a ensuite contribué à l'analyse d'une expérience réalisée avec le laser PALS. Il a permis de reproduire la courbe de décélération du précurseur observée dans l'expérience ainsi que la transmission du diagnostic transverse.

La seconde thématique concerne les jets générés par les étoiles en formation et interagissant avec le nuage moléculaire environnant. Les opacités du milieu interstellaire montrant qu'une partie significative du rayonnement est absorbée, nous avons mené les premières simulations d'un jet tenant compte du transfert radiatif. Elles ont montré que le jet pouvait être fortement comprimé et que le transfert radiatif semble donc pouvoir jouer un rôle important dans sa propagation.

Les astéroïdes carbonés ont été affectés par des processus d’altération aqueuse qui ont largement modifié leur minéralogie primaire au profit d’une grande diversité de phases néoformées. Malgré les nombreuses études conduites sur les chondrites hydratées (chondrites CM), la compréhension des processus physico-chimiques de l’altération aqueuse et les conditions d'hydratation des astéroïdes reste aujourd’hui encore très parcellaire. À partir de l’étude minéralogique et isotopique des phases secondaires, cette thèse a pour objectifs (i) de déchiffrer l’origine et l’évolution de l’eau accrétée par les astéroïdes primitifs et (ii) de retracer les conditions physico-chimiques de l’altération aqueuse grâce à des expériences hydrothermales en laboratoire. Tout d’abord, les résultats montrent que la chondrite CM Paris contient des carbonates de calcium dont la composition isotopique en oxygène ([delta]17,18O) implique l’incorporation de 8-35 % de glace d’eau originaire du Système Solaire externe. De plus, les analyses isotopiques en carbone, menées sur ces mêmes carbonates, indiquent que les valeurs en [delta]13C sont similaires à celles de la matière organique soluble (SOM) présente dans les chondrites carbonées. Ainsi, j’ai pu proposer que la SOM représente la source la plus probable de carbone pour former les carbonates. L’étude des différents clastes de la CM Boriskino a permis de mettre en évidence que cette météorite a subi des épisodes d’impacts de forte intensité, engendrant la formation de fractures et la circulation de fluides tardifs enrichis en 16O. Enfin, des expériences de laboratoire de basse température ont permis de synthétiser les phases d’altération les plus caractéristiques des chondrites CM : la tochilinite et la cronstedtite. Par ailleurs, en comparant ces résultats avec ceux obtenus par d’autres études expérimentales, une corrélation positive a été observée entre la quantité de Mg contenue dans la couche hydroxylée de la tochilinite synthétique et la température. Cette corrélation suggère que la composition chimique de la tochilinite peut servir de traceur pour remonter aux températures des processus d'altération aqueuse des chondrites CM
Carbonaceous asteroids were affected by aqueous alteration processes that have strongly modified their primary mineralogy in favour of a wide diversity of newly formed phases. Despite the numerous studies carried out on hydrated chondrites (CM chondrites), the physicochemical conditions of aqueous alteration and the identification of the water sources accreted by asteroids are still poorly constrain. From the mineralogical and isotopic survey of secondary phases, this thesis aims (i) to decipher the origin and evolution of water accreted by primitive asteroids and (ii) to retrace the physicochemical conditions of aqueous alteration using hydrothermal laboratory experiments. First of all, our results show that the pristine CM chondrite Paris contains Ca-carbonates whose O-isotopic compositions ([delta]17,18O) requires an 8-35% contribution of water ice from the outer part of the Solar System. In addition, our C-isotopic analyses conducted on these same Ca-carbonates indicate similar [delta]13C values to those of the soluble organic matter (SOM) that constitute carbonaceous chondrites. Thus, we suggest that SOM is the most probable source of carbon to form Ca-carbonates. Then, the study of different clasts in the CM chondrite Boriskino revealed that this meteorite has experienced high intensity impact events, causing the formation of fractures and the circulation of later 16O-rich fluid flow. Finally, our low temperature laboratory experiments successfully synthetized the most characteristic phases of CM chondrites: tochilinite and cronstedtite. Moreover, by comparing our results to other experimental studies, we observed a positive correlation between the nMg content in the hydroxide layer of synthetic tochilinite and temperature. This correlation suggests that the chemical composition of tochilinite represents as powerful proxy to retrace the alteration temperature experienced by CM chondrites

Une solution au problème astrophysique de la matière sombre pourrait être apportée par la détection de WIMPs, particules prédites par la supersymétrie. Sa détection directe nécessite de grandes masses de détecteurs capables d'identifier le signal d'un WIMP parmi le fond radioactif et cosmique environnant. Cette thèse se déroule dans le cadre de l'expérience EDELWEISS et la future expérience EURECA qui lui succédera. Ces expériences utilisent une technologie basée sur des détecteurs cryogéniques (bolomètres) à double voies, fonctionnant à quelques dizaines de mK. Ils sont constitués de cristaux qui sont le siège des interactions des particules, dont les dépôts d'énergie vont entraîner une élévation de température ainsi que l'ionisation du cristal, pouvant entraîner des charges ou des photons selon sa nature. Afin d'augmenter la palette de cibles pouvant faire office de bolomètres scintillants, nous avons mis en place un dispositif expérimental permettant d'étudier la scintillation de cristaux refroidis jusqu'à 3 K. Il est basé sur un cryostat à géométrie optique compacte permettant une collecte de lumière améliorée. Une méthode de comptage de photons individuels ainsi qu'un traitement statistique des données permettent de mesurer l'évolution du rendement lumineux et des constantes de temps de scintillation de cristaux entre la température ambiante et 3K. Cette thèse présente ainsi les résultats obtenus à 3 K avec ce dispositif expérimental sur deux cristaux, bien connus à température ambiante: le BGO (Bi4Ge3O12) et le BaF2. Nous présentons également les résultats sur la luminescence du saphir dopé au titane (Ti:Al2O3), sous VUV et refroidi à 8 K.

Cette thèse s'inscrit dans le contexte général des propriétés radiatives de la matière à haute densité d'énergie (>1011 J/cm3). Les densités d'énergie de la MHDE font qu'une partie importante des échanges d'énergie passe par l'interaction rayonnement-matière. Mes études portent sur l'opacité spectrale, un paramètre fondamental pour la modélisation des intérieurs stellaires et qui constitue aussi une observable propice aux tests expérimentaux des descriptions théoriques de la physique des plasmas chauds et denses. Mes travaux de thèse sont centrés sur l'étude expérimentale des opacités de plasmas à l'équilibre thermodynamique local pour des températures de quelques dizaines d'eV (soit quelques 100 000 K) et quelques mg/cm3 en densité. Les plasmas sont obtenus dans des conditions aussi homogènes que possible en utilisant le chauffage radiatif d'une cavité irradiée par laser de haute énergie, 100-300 J. Ainsi, nous avons pu mettre à profit pour ce type de mesure la configuration utilisant des lasers nanoseconde et picoseconde du LULI (Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses) pour réaliser le chauffage d'une part et la mesure sur un temps bref d'autre part de la transmission des plasmas, l'utilisation d'impulsions courtes constituant une première pour ce type d'expériences. Dans le domaine des X de l'ordre du keV, les transitions absorbantes 2p−3d ou 3d−4f d'éléments de numéro atomique moyen ou élevé ont été sondées. Elles font apparaitre des structures d'absorption dont la forme résulte principalement de la compétition entre l'éclatement spin-orbite et les effets d'élargissement statistiques. Il a été montré que cette compétition dépendait fortement du numéro atomique Z. Ainsi à paramètres plasma proches nous avons exploré l'opacité des éléments fer, nickel, cuivre et germanium (Z autour de 30) dans une première série de mesures puis celle du baryum, samarium et du gadolinium, dans une seconde expérience (Z autour de 60). L'astrophysique stellaire nécessite aussi de mesurer précisément, et de manière bien caractérisée, les opacités du groupe du fer (Cr, Fe, Ni et Cu) dans le domaine des XUV (50 − 200 eV). Ces opacités sont à l'origine de l'excitation dans les enveloppes radiatives des étoiles pulsantes massives de type spectral B pour une température de l'ordre de 200 000 K. Dans ces conditions, les moyennes de Rosseland présentent des différences nettes entre les calculs utilisés par la communauté astrophysique et ne permettent pas d'interpréter les oscillations et l'ensemble des fréquences observées de manière univoque. Pour permettre des comparaisons avec divers calculs spectraux, j'ai participé à la mise en place d'un nouveau schéma expérimental à deux cavités dont le but était d'améliorer l'homogénéité du chauffage des échantillons. Je montrerai enfin l'analyse des paramètres plasmas pour ce type de schéma. J'ai en particulier analysé le cas du nickel dont la transmission a été mesurée pour la première fois dans cette gamme spectrale. Dans chaque cas je présenterai l'analyse des résultats obtenus.

Dans ce travail, nous analysons le concept de manipulation à travers une théorie élargie qui inclut le réalisme des entités et la théorie causale de la manipulation. Dans une seconde étape, nous appliquons cette théorie à plusieurs expériences scientifiques. Cette thèse est articulée autour de quatre parties : Dans la Partie I nous exposons le concept de manipulation. Nous examinons le réalisme structurel en mettant l’accent sur ses difficultés concernant particulièrement les incertitudes ontologiques de la physique. Cet examen du réalisme structurel nous permettra de développer un réalisme des entités qui est susceptible de constituer une alternative au réalisme structurel.La partie II est consacrée aux aspects clés du réalisme des entités, c’est-à-dire ses fondements, ses arguments ainsi qu’une définition aussi précise que possible du concept de manipulation.Dans la partie III, nous élaborons une théorie générale de la manipulation/intervention qui est basée sur le réalisme des entités et la théorie de Woodward sur l’intervention, l’invariance et la profondeur de l’explication des évènements causaux. Nous allons développer trois éléments : 1-un système des conditions de l’intervention, 2- une typologie de l’intervention, 3-l’intervention probabiliste. Ce dernier type de l’intervention est applicable à l’expérience EPR. Dans la partie IV- Nous appliquons cette théorie à cinq expériences scientifiques : l’expérience EPR, l’expérience de l’électrodynamique quantique en cavité, l’expérience sur l’effet Zeeman, l’expérience du Tevatron (collisions de protons) et la dernière est non des moindres, est une expérience d’astrophysique (ondes gravitationnelles). Dans chacune de ces expériences, notre théorie a trouvé une application réussie. Toutes les conditions de l’intervention sont applicables sur les cinq expériences et une typologie bien définie de l’intervention a été élaborée et qui met en évidence les résultats de l’intervention dans les différentes séquences de ces expériences.Par conséquent, notre théorie de la manipulation reflète une utilité authentique et réelle dans différent domaines de la physique et de l’astrophysique. Un pareil résultat est important tenant compte du rôle de la manipulation expérimentale pour la science moderne
In this work, we analyze the concept of manipulation through a comprehensive theory which includes the entity realism and the causal theory of manipulation. At the second stage, we implement this theory to several scientific experiments. It is divided into four parts:In Part I, we will have a long journey until we will reach the true concept of manipulation. We analyze the structural realism and we explore its difficulties regarding ontological problems of physics. Our survey of structural realism enables to open a new way to developing entity realism instead of structural realism.Part II will be dedicated to the core aspect of entity realism such as its foundations, its arguments and our aim to reach a global definition of manipulation concept.In Part III I will achieve my aim which is elaborating a global theory of manipulation/intervention based on entity realism and the Woodward theory of intervention, invariance and depth explanation of causal events. We will develop three items : 1- a system of intervention conditions 2-a typology of intervention, 3-probabilistic intervention. Such type of intervention is applicable to EPR experiment. In Part IV, we implement our theory to five scientific experiments: EPR experiment, electrodynamics cavity experiment, Zeeman effect experiment, Tevatron experiment (collision of protons) and last but not least an astrophysical experiment (gravitational waves).In each case, our theory is successful. All intervention conditions are applicable to our five experiments and a well defined typology of intervention is developed based on intervention results through different stages of those experiments. Therefore, the theory of manipulation shows a real and genuine application in different domains of physics and astrophysics. Such result is important regarding the role of manipulation in modern science

Les astéroïdes carbonés ont été affectés par des processus d’altération aqueuse qui ont largement modifié leur minéralogie primaire au profit d’une grande diversité de phases néoformées. Malgré les nombreuses études conduites sur les chondrites hydratées (chondrites CM), la compréhension des processus physico-chimiques de l’altération aqueuse et les conditions d'hydratation des astéroïdes reste aujourd’hui encore très parcellaire. À partir de l’étude minéralogique et isotopique des phases secondaires, cette thèse a pour objectifs (i) de déchiffrer l’origine et l’évolution de l’eau accrétée par les astéroïdes primitifs et (ii) de retracer les conditions physico-chimiques de l’altération aqueuse grâce à des expériences hydrothermales en laboratoire. Tout d’abord, les résultats montrent que la chondrite CM Paris contient des carbonates de calcium dont la composition isotopique en oxygène ([delta]17,18O) implique l’incorporation de 8-35 % de glace d’eau originaire du Système Solaire externe. De plus, les analyses isotopiques en carbone, menées sur ces mêmes carbonates, indiquent que les valeurs en [delta]13C sont similaires à celles de la matière organique soluble (SOM) présente dans les chondrites carbonées. Ainsi, j’ai pu proposer que la SOM représente la source la plus probable de carbone pour former les carbonates. L’étude des différents clastes de la CM Boriskino a permis de mettre en évidence que cette météorite a subi des épisodes d’impacts de forte intensité, engendrant la formation de fractures et la circulation de fluides tardifs enrichis en 16O. Enfin, des expériences de laboratoire de basse température ont permis de synthétiser les phases d’altération les plus caractéristiques des chondrites CM : la tochilinite et la cronstedtite. Par ailleurs, en comparant ces résultats avec ceux obtenus par d’autres études expérimentales, une corrélation positive a été observée entre la quantité de Mg contenue dans la couche hydroxylée de la tochilinite synthétique et la température. Cette corrélation suggère que la composition chimique de la tochilinite peut servir de traceur pour remonter aux températures des processus d'altération aqueuse des chondrites CM
Carbonaceous asteroids were affected by aqueous alteration processes that have strongly modified their primary mineralogy in favour of a wide diversity of newly formed phases. Despite the numerous studies carried out on hydrated chondrites (CM chondrites), the physicochemical conditions of aqueous alteration and the identification of the water sources accreted by asteroids are still poorly constrain. From the mineralogical and isotopic survey of secondary phases, this thesis aims (i) to decipher the origin and evolution of water accreted by primitive asteroids and (ii) to retrace the physicochemical conditions of aqueous alteration using hydrothermal laboratory experiments. First of all, our results show that the pristine CM chondrite Paris contains Ca-carbonates whose O-isotopic compositions ([delta]17,18O) requires an 8-35% contribution of water ice from the outer part of the Solar System. In addition, our C-isotopic analyses conducted on these same Ca-carbonates indicate similar [delta]13C values to those of the soluble organic matter (SOM) that constitute carbonaceous chondrites. Thus, we suggest that SOM is the most probable source of carbon to form Ca-carbonates. Then, the study of different clasts in the CM chondrite Boriskino revealed that this meteorite has experienced high intensity impact events, causing the formation of fractures and the circulation of later 16O-rich fluid flow. Finally, our low temperature laboratory experiments successfully synthetized the most characteristic phases of CM chondrites: tochilinite and cronstedtite. Moreover, by comparing our results to other experimental studies, we observed a positive correlation between the nMg content in the hydroxide layer of synthetic tochilinite and temperature. This correlation suggests that the chemical composition of tochilinite represents as powerful proxy to retrace the alteration temperature experienced by CM chondrites

Suite au développement des techniques d'observation et d'analyse, notre connaissance de la poussière silicatée dans les environnements astrophysiques a beaucoup évolué. Le cycle de vie de la poussière débute avec sa formation autour des étoiles en fin de vie. Par la pression des vents stellaires, elle est ensuite injectée dans le milieu interstellaire (MIS) dans lequel elle transite. Enfin, elle peut être incorporée dans les disques d'accrétion autour des étoiles jeunes. Lors de ces différentes étapes, elle est soumise à diverses sollicitations qui induisent des modifications structurales ou chimiques. L'un des objectifs de cette thèse est d'abord de déterminer les modifications chimiques et morphologiques de la poussière silicatée quand elle est soumise à une irradiation ionique dans les ondes de choc de supernovae. Pour cela, nous avons effectué des expériences d'irradiation ionique (H⁺ et He⁺) à basse énergie in situ dans un spectroscope de photoélectrons (XPS). Les suivis chimiques et morphologiques ont été réalisés par XPS et par microscopie à force atomique. Le second objectif de cette thèse est d'indiquer comment la poussière amorphe évolue lors de son incorporation dans les régions internes du disque d'accrétion autour des étoiles jeunes. Nous avons ainsi mis en place des traitements thermiques de silicates amorphes in situ dans un microscope électronique en transmission (MET) et en four sous atmosphère contrôlée. Les évolutions microstructurales et chimiques ont été observées à l'aide d'un MET associé à un spectroscope à dispersion d'énergie. Nous avons montré qu'une irradiation ionique induit des modifications chimiques et morphologiques. Dans le milieu interstellaire, les ondes de choc de supernovae sont donc des évènements très propices à modifier les matériaux initialement issus des étoiles en fin de vie. Les produits de recristallisation obtenus suite aux recuits sont très dépendants de la pression partielle d'oxygène imposée. Les microstructures obtenues sont souvent comparables avec celles observées dans les objets les plus primitifs de notre système solaire (poussière interplanétaire ou cométaire) La recristallisation du précurseur interstellaire dans la partie interne du disque d'accrétion est donc un moyen pour former des phases qui sont ensuite incorporées dans les astéroïdes ou les comètes.

L'hydrodynamique radiative est le domaine dans lequel gaz et rayonnement interagissent dynamiquement. Ses champs d'application sont très vastes, de l'astrophysique à la fusion par confinement inertiel. Lors de cette thèse, un code numérique parallèle tridimensionnel d'hydrodynamique radiative baptisé HERACLES a été développé. Il s'appuie sur le modèle M1 qui permet de traiter un rayonnement à forte anisotropie. De nombreux tests ont validé HERACLES sur une grande variété de conditions physiques, dont le régime semi-transparent et la diffusion des photons, ses résultats étant comparables aux codes Monte-Carlo. Il a ensuite été utilisé dans deux thématiques. La première concerne les chocs radiatifs, phénomènes astrophysiques reproduits sur Terre grâce aux lasers de puissance. HERACLES a mis en évidence l'influence de différents paramètres sur l'évolution d’un tel choc : le rapport de la largeur du canal de propagation sur le libre parcours moyen de photons, l'albédo des parois. . . Il a ensuite contribué à l’analyse d’une expérience réalisée avec le laser PALS. Il a permis de reproduire la courbe de décélération du précurseur observée dans l'expérience ainsi que la transmission du diagnostic transverse. La seconde thématique concerne les jets générés par les étoiles en formation et interagissant avec le nuage moléculaire environnant. Les opacités du milieu interstellaire montrant qu’une partie significative du rayonnement est absorbée, nous avons mené les premières simulations d’un jet tenant compte du transfert radiatif. Elles ont montré que le jet pouvait être fortement comprimé et que le transfert radiatif semble donc pouvoir jouer un rôle important dans sa propagation
Radiation-hydrodynamics deals with the dynamical interaction between gas and radiation. Its applications lie from astrophysics to inertial confinement fusion. During this thesis, a 3D parallel radiation-hydrodynamics code called HERACLES has been developed. It relies upon the M1 model which can deal with anisotropic radiation field. Various tests have validated HERACLES upon a large variety of physical conditions, including semi-transparent regime and photon diffusion, its results being similar to those of Monte-Carlo codes. It has then been applied to two domains. The first one dealt with radiative shocks, astrophysical phenomena reproduced on Earth thanks to high-power lasers. HERACLES has shown the influence of different parameters upon the radiative shock evolution: ratio propagation canal width over photon mean free path, walls albedo… Then, it has contributed to analyze an experiment conducted at the PALS laser facility. It has reproduced the observed precursor slowdown and the transmission of the transverse diagnostic. The second domain dealt with the jets generated by forming stars and interacting with their ambient molecular cloud. Since the interstellar medium opacities imply that a significant part of radiation is absorbed, we conducted the first jets simulations including radiation-hydrodynamics. They showed that the jets can be highly compressed and that radiative transfer could then play an important role in the jets propagation

Les objets trans-Neptuniens (OTNs) sont des vestiges de la formation planétaire en périphérie du système solaire. Leurs surfaces glacées sont considérées comme porteuses d'informations sur leur origine, il y a environ 4,5 milliards d'années, et sur les différents processus d'évolution qui les ont probablement affectées depuis. Au cours des 30 dernières années, la caractérisation de la composition de la surface des OTNs a été limitée, en particulier pour les objets dont le diamètre est inférieur à 800 km, plus primitifs que les planètes naines. Cela est dû à leur faible luminosité et à l'absence de bandesd'absorption fortes dans le domaine du proche infrarouge accessible aux télescopes terrestres. Les OTNs ont été principalement caractérisés par leur couleur (pentes spectrales dans le visible et proche infrarouge). Quelques bandes d’absorption ont été détectées, les plus répandues étant attribuées à de la glace d'eau. Depuis 2022, les capacités du télescope spatial James Webb (JWST) ont permis d'ouvrir une nouvelle fenêtre pour la caractérisation chimique des OTNs. Le programme du cycle 1 « DiSCo-TNOs » a fourni des spectres sur l’entièreté de la gamme de 0,7 à 5,1 μm pour plus de 50 OTNs et Centaures. J'ai participé activement à l'analyse des données qui a conduit à la détection de glaces de CO₂ omniprésentes et de glaces de CO assez répandues, bien que des considérations thermodynamiques prévoient l'appauvrissement de ces dernières. Le CO₂ présente d'importantes variations d'abondance et d'environnement chimique sur les différents objets. Ces différences ne sont pas liées à la taille de l'objet, dont on pense qu'elle détermine sa capacité à retenir les espèces volatiles. La variabilité du CO₂ est plus probablement une preuve de variations en composition initiale. Grâce à une analyse des spectres JWST par des méthodes de clustering, nous avons montré que les surfaces des OTNs se répartissent en trois grands groupes spectraux et compositionnels : l'un est dominé par les caractéristiques spectrales de glace d'eau, l'autre par des caractéristiques de CO₂ et le troisième par du méthanol et des composés organiques complexes. La distribution de ces groupes de composition au sein des classes dynamiques d’OTNs indique que ces différences de composition sont primordiales, liées à des différentes distances héliocentriques avant migration planétaire et potentiellement façonnées par des lignes de rétention. Ceci fournit une image cruciale de la distribution des planétésimaux avant qu'une évolution dynamique majeure ne les place sur leurs orbites actuelles.En soutien à l'analyse des observations JWST, j'ai effectué des expériences en laboratoire avec le dispositif INGMAR (IAS/IJCLab, Université Paris-Saclay). J'ai mené des expériences d'irradiation ionique pour reproduire le bombardement ionique de surfaces dépourvues d'atmosphère, un processus qui modifie et « vieillit » les surfaces. J'ai utilisé des ions H+ de 30 keV pour bombarder des glaces de méthanol, pures et mélangées à de l'eau, et des glaces de CO₂. J'ai montré que le CO observé sur les OTNs est compatible avec une formation par irradiation de la glace dominante, qu'il s'agisse de CO₂ ou de méthanol. Le CO se forme piégé dans la glace mère, ce qui explique sa stabilité face à la sublimation. La couleur peut être un autre indicateur de processus d’irradiation. La couleur rouge des glaces de méthanol, irradiées à haute dose, correspond à celle des OTNs riches en méthanol. Mais la détection de méthanol sur les OTNs montre que cette molécule n’est pas entièrement détruite dans toute la profondeur optiquement active. Ceci est cohérent avec l'existence de variations de composition, dans l’épaisseur de la surface, induites par un gradient d'irradiation. En combinant les observations du JWST avec des expériences de laboratoire, mon travail permet de démêler l'héritage primordial de l'évolution chimique induite par irradiation
Trans-Neptunian objects (TNOs) are remnants of planetary formation in the outskirts of the Solar System. Their icy surfaces are thought to carry information regarding both their origin some 4.5 billion years ago and likely different evolutionary processes affecting them since. For the past 30 years, the characterisation of TNO surface composition has been limited, specifically for the objects with diameters below 800 km, more primitive than dwarf planets. This is due to their faintness and lack of strong absorption features in the near-infrared range accessible from ground-based telescopes. TNOs were mostly characterised by their colour (spectral slopes in the visible to near-infrared range). Some ice features were detected, with the most widespread ones being attributed to water ice. Since 2022, the capacities of the James Webb Space Telescope (JWST) allowed to unlock a new window for chemical characterisation of TNOs. The large Cycle 1 program “DiSCo-TNOs” provided spectra over the full 0.7 to 5.1 μm range for more than 50 TNOs and Centaurs. I was actively involved in the analysis of the dataset which lead to the detection of ubiquitous CO₂ and widespread CO ices, although thermodynamical considerations predict the depletion of the latter. CO₂ presents compelling variations in abundance and chemical environment across objects. These differences are unrelated to the object’s size, thought to rule its ability to retain volatiles. CO₂ variability is likely a testament to variations in early composition. With further analysis of JWST spectra by clustering techniques, we showed that TNO surfaces fall into three broad spectral and compositional groups: one is dominated by water ice features, one is dominated by CO₂ features and one shows methanol and complex organics. The distribution of compositional groups within the dynamical classes of TNOs indicates that these compositional differences are primordial, linked to different heliocentric distances before planetary migration and potentially shaped by retention processes. This provides a crucial picture of the distribution of planetesimals before early dynamical evolution set them in their current orbits. To provide support for the analysis of JWST observations, I ran laboratory experiments with the INGMAR setup (IAS/IJCLab, Université Paris-Saclay). I conducted ion irradiation experiments to reproduce ion bombardment of atmosphere-less surfaces, a process altering and “ageing” surfaces over billions of years. I used 30 keV H+ ions to bombard methanol ices, pure and mixed with water, and CO₂ ices. I showed that the CO observed on TNOs is compatible with being formed by irradiation of the dominating ice, either CO₂ or methanol. CO forms trapped within the parent ice which explains its stability against sublimation. Colour can be another indicator of energetic processing. The red colours of methanol ices, irradiated to high doses, match those of methanolrich TNOs. But the detection of methanol on TNOs, argues against its complete destruction within the entire optically active depth. This is consistent with the existence of compositional variations, within the surface’s depth, induced by an irradiation gradient. By combining JWST observations with laboratory experiments, my work allows to disentangle between primordial heritage and irradiation-induced chemical evolution, ultimately providing a clearer description of the outer Solar System’s history

L’interface noyau-graine (ICB) est instable et une zone dendritique se forme sous des conditions très particulières, c’est à dire que la cristallisation est très lente par rapport à la convection très vigoureuse du noyau liquide. Afin de reproduire expérimentalement des conditions semblables, nous avons étudié une zone dendritique sous hyper gravite, dans une centrifugeuse. La hauteur de cette zone diminue quand la gravite augmente alors que la fraction solide augmente fortement : similairement, les études sismologiques suggèrent que la fraction solide dans la graine est proche de l’unité a l’ICB. De plus, la sismologie montre une graine très hétérogène en termes d’anisotropie élastique, d’atténuation ou de vitesse des ondes et met en lumière une forte dichotomie Est-Ouest. Celle-ci pourrait être engendrée par une translation de la graine qui provoquerait de la cristallisation sur une face et de la fusion sur l’autre. Cette hypothèse est testée en conduisant des expériences de cristallisation et de fusion d’une zone dendritique. Nous avons utilisé des ultrasons comme analogues aux ondes sismiques pour quantifier les changements de structure dans la zone dendritique à partir des mesures de l’atténuation et la diffraction. Extrapoles a la graine, nos résultats montrent que l’ICB pourrait fondre sur l’hémisphère Ouest et cristalliser sur l’hémisphère Est. D’autre part, avec du gaz xénon en hyper-gravite, nous avons observé un gradient adiabatique, pour la première fois dans un dispositif expérimental. Cette thèse montre la faisabilité de ces expériences et la possibilité de vérifier expérimentalement les approximations utilisées pour la convection compressible
The inner core boundary (ICB) is unstable, and a mushy layer forms under very particular conditions in which the crystallization is very slow compared to the very vigorous convection of the liquid core. To mimic these conditions, we have investigated a mushy layer under hyper-gravity in a centrifuge. The thickness of a mushy layer decreases with gravity and the solid fraction increases. This is coherent with seismological studies suggesting that the solid fraction at the ICB is close to unity. Moreover, seismology shows that the inner core is very heterogeneous in terms of elastic anisotropy, attenuation or wave velocity and that there exists a strong East-West dichotomy on the ICB. One hypothesis is that the latter is due to a translation of the inner core that would cause crystallization on one hemisphere and melting on the other one. We have tested that hypothesis with experiments of solidification and melting of a mush. We have used ultrasounds as an analogue to the seismic waves to quantify structural changes in the mush from measurements of attenuation and scattering. From our observations, it is plausible that the ICB on the Western hemisphere s melting while it is solidifying on the Eastern hemisphere. In other experiments, using xenon gas under hyper-gravity, we have observed an adiabatic gradient for the first time. This thesis shows the feasibility of these experiments and the possibility to check experimentally the approximations used for compressible convection

L'astronomie des rayons g de haute (E > 100MeV, HE) et de très haute énergie (E 100GeV, VHE) ont effectué des progrès considérables en moins d'une décennie. Le nombre de sources émettrices dans ce régime d'énergie a augmenté de plus d'un ordre de grandeur, de nouvelles classes d'émetteurs ont été découvertes et des nouvelles sous-classes ont été établies basées sur l'émission gamma, et les sources connues sont à présent résolues à des échelles spatiales ou temporelles sans précédent révélant de nouvelles propriétés. Les noyaux actifs de galaxie (AGN) sont l'une des classes d'émetteurs les plus énergétiques, dont le pic de puissance émis dans le spectre électromagnétique peut dans certains cas dépasser la capacité de mesure des instruments actuels, et dont l'investigation requiert la maîtrise simultanée du ciel g HE et VHE qu'apportent les expériences Cerenkov au sol (atmospheric Cerenkov telescope, ou ACT) et le satellite Fermi.

Cette thèse porte sur le calcul des corrections radiatives supersymétriques pour des processus entrants dans le calcul de la densité relique de matière noire, dans le MSSM et le scénario cosmologique standard, ainsi que sur l'influence du choix du schéma de renormalisation du secteur des neutralinos/charginos à partir de la mesure de trois masses physiques. Cette étude a été faite à l'aide d'un programme automatique de calcul à une boucle d'observables physiques dans le MSSM, appelé SloopS. Pour le calcul de la densité relique nous nous sommes penchés sur des scénarios où le candidat supersymétrique le plus étudié, le neutralino, se désintégrait en majoritairement en bosons de jauge. Nous avons couvert les cas où sa masse était de l'ordre de quelques centaines de GeV jusqu'à 2 TeV. Cela a nécessité la prise en compte complète des corrections électrofaibles et fortes, impliquées dans des processus sous-dominants impliquant des quarks. Dans le cas des neutralinos très lourds deux effets importants ont été mis à jour : les amplifications de type Sommerfeld dues aux bosons de jauge massifs et peut-être plus important encore des corrections de type Sudakov.

Neutrino oscillations est trés bien étudié le phénoméne et des observations de Solar, trés-long-base de référence du réacteur, l'atmosphére et d'accélérateur à l'oscillation des neutrinos expériences trés robuste donner la preuve de trois mélange des neutrinos. D'autre part, certaines données expérimentales ont montré des anomalies qui pourraient être interprétées comme indication de la physique des neutrinos exotique au-delà de trois mélange des neutrinos. En outre, à partir d'un point de vue cosmologiques, la possibilité déspéces extra léger comme une contribution subdominant chaud de l'Univers est toujours intéressant. Dans la premiére partie de cette thése, nous nous sommes concentrs sur l'anomalie observée dans le Gallium source radioactive expériences. Ces expériences ont été réalisées pour tester la Gallium détecteurs de neutrinos solaires GALLEX et SAGE, en mesurant le flux de neutrinos d'électrons produit par une intense des sources radioactives artificielles placées à l'intérieur de détecteurs. Le mesurée certain nombre d'événements a été inférieur à celui attendu. Nous avons interprété cette anomalie comme une indication possible de la disparition de neutrinos et d'électrons, dans le cadre efficace de deux de mélange des neutrinos, nous avons obtenu sin2 2Theta > 0.03 et Deltam2 > 0.1 eV2. Nous avons également étudié la compatibilité de ce rsultat avec les donnes de le réacteur Bugey et de Chooz antineutrino disparition expériences. Nous avons constaté que les données Bugey présente un indice d'oscillations de neutrinos 'a 0.02 < sin2 2Theta < 0.07 et Deltam2 ≈ 1.95 eV2, qui est compatible avec le permis de Gallium de la region paramtres de mixage. Puis, en combinant les données de Bugey et de Chooz, les données de Gallium et de Bugey, et les données de Gallium, le Bugey et de Chooz, nous avons constaté que ce soup¸con persiste, avec une certaine compatibilité des données expérimentales. En outre, nous avons analysé les données expérimentales de l'ILL, SRS, Gösgen et expériences réacteur nucléaire. Nous avons obtenu un bon ajustement de la I.L.L. données, en montrant 1 et 2Sigma permis régions de l'espace des paramétres d'oscillation. Toutefois, la combinaison de I.L.L. données avec le Bugey les données ont révélé un trés faible compatibilité, si nous n'avons pas utilisé l'ILL données pour les analyzes supplémentaires. Notre ajustement de la S.R.S. expérience a donn de trés petites valeurs de la qualité d'ajustement (goodness-of-fit), ce qui indique que les données sont incompatibles avec l'hypothése d'oscillations, ainsi que les oscillations aucune hypothése. Nous n'avons pas d'explication à ce résultat. De l'analyze de la Gösgen expérience, nous avons obtenu des limites supérieures pour les paramétres de mélange, à l'exclusion de la region avec sin2 2Theta ≥ 0.3 et Deltam ≥ 0.05 eV2 à 3Sigma C.L.. Grâce â la combinaison de ces données avec celles de Gallium, le Bugey et de Chooz, nous avons constaté que l'indice des oscillations de neutrinos persiste â 0.03 < sin2 2Theta < 0.07 et Deltam2 ≈ 1.93 eV2, avec une bonne compatibilité des données. Toutefois, les oscillations aucune hypothése ne peut être exclue. Motivé par ces résultats, dans la deuxiéme partie de ce travail nous avons étudié contraintes cosmologiques sur une lumiére non-thermique neutrino stérile. Nous aménagées--la date des données cosmologiques avec une longue LCDM, y compris en lumiére les vestiges d'une masse dans la gamme 0.1-10 eV. Nous avons obtenu des contraintes sur la densité de courant et de la vitesse de dispersion de ces reliques, ainsi que des contraintes sur leur masse, à supposer qu'elles consistent soit découplé de la petite thermique des reliques, ou de non-resonantly produit stérile neutrinos. Nos résultats sont utiles pour peser sur des particules-motivés avec trois modéles de neutrinos actifs et un trés léger espéces.