Dissertations / Theses on the topic 'Fondo Galanti'

Ma thèse porte sur l'étude des anisotropies du fond diffus cosmologique dans le cadre de l'expérience Archeops. Archeops est une expérience dédiée à la mesure de ces anisotropies sur une large région d'échelle angulaire et embarquée sous un ballon stratosphérique. Cette expérience est préliminaire à la mission satellite Planck. Après avoir décrit le mode de formation des anistropies du fond diffus cosmologique et les connaissances sur notre Univers que l'on peut extraire de leurs propriétés, je décris l'expérience Archeops : ses instruments, ses capacités, ses objectifs scientifiques. Mon travail au sein de la collaboration Archeops est centré sur la soustraction des effets synchrones avec la rotation de la nacelle pour obtenir un étalonnage des détecteurs sur le dipôle cosmologique et sur la reconstruction du spectre de puissance. Tout d'abord je passe en revue les différentes sources de signaux synchrones avec la rotation de la nacelle en me concentrant sur l'émission atmosphérique, puis décris les méthodes que j'ai développées pour soustraire ces contributions. Deux de ces méthodes sont ensuite appliquées sur les données et permettent d'obtenir un étalonnage des détecteurs. La seconde partie de ma thèse montre comment on peut reconstruire le spectre de puissance des anisotropies. La validité du calcul du spectre de puissance est ensuite testée sur les données. Pour extraire le spectre de puissance des anisotropies à partir du signal je présente une métode que j'ai développée pour évaluer la contribution du bruit au spectre, et une autre pour supprimer la contamination galactique. En conclusion la chaîne de calcul est testée complètement sur des simulations qui reproduisent les propriétés des données de manière très précise.

L'analyse des anisotropies du fond diffus cosmologique (CMB) en température et en polarisation permet de contraindre une grande partie des paramètres cosmologiques décrivant le modèle du Big-Bang et l'Univers primordial. Cette thèse s'articule autour des mesures de l'expérience embarquée en ballon Archeops et de la future mission satellite Planck dont Archeops est le prototype.
Après une description générale du modèle standard en cosmologie et de la physique du CMB, cette thèse aborde plus particulièrement le mécanisme de "reheating" qui, à la fin de l'inflation, permet le réchauffement de l'Univers et la formation de la matière.
La suite de ce travail présente les expériences Archeops et Planck et l'analyse de leurs données. Dans ce cadre, j'ai développé plusieurs méthodes permettant l'étude des signaux des rayons cosmiques, la mesure des temps de réponse des bolomètres ainsi que la prise en compte de l'asymétrie des lobes optiques.
L'étude des anisotropies passe par l'estimation des spectres de puissance en température et polarisation. Je présente une méthode rapide et non-biaisée donnant également une estimation analytique précise des barres d'erreur sans avoir recours aux simulations Monte-Carlo. Cette méthode a fourni la dernière estimation du spectre de puissance d'Archeops.
Enfin, la dernière partie traite de l'implication des résultats d'Archeops pour WMAP et Planck. Une analyse jointe Archeops-WMAP montre la cohérence des mesures CMB sur une large gamme de fréquences et la détection de l'effet Sunyaev-Zel'dovich. Par ailleurs, l'extrapolation des spectres polarisés des avant-plans galactiques mesurés par Archeops sert de référence pour Planck.

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

La détection des modes B primordiaux de polarisation du fond diffus cosmologique est un des défis majeurs de la cosmologie contemporaine. Leur mesure permettrait de contraindre les modèles d'inflation, cette phase d'expansion accélérée qui aurait eu lieu aux tout premiers instants de l'Univers. Le projet QUBIC, une des nombreuses expériences en compétition, s'appuie sur une technologie particulièrement innovante, l'interférométrie bolométrique. Cette thèse expose les travaux qui ont permis d'établir l'architecture de cet instrument. Nous introduisons un formalisme permettant d'étudier comment les observables d'intérêt peuvent être mesurées et obtenons une formule analytique donnant la sensibilité de l'instrument. Nous déterminons les caractéristiques instrumentales devant être satisfaites par chacun de ses composants en vue de le rendre compétitif. Nous démontrons en particulier que seule une distribution hautement redondante des récepteurs (cornets) permet d'atteindre une sensibilité optimale. Nous étudions l'effet de lissage engendré par la largeur de bande spectrale des détecteurs et estimons la dégradation de sensibilité en résultant. Nous proposons par ailleurs des architectures alternatives d'interféromètre bolométrique ; l'une d'entre elles (avec lame demi-onde en rotation et sans déphaseurs contrôlés) est devenue l'architecture standard de l'instrument QUBIC. Nous mettons enfin à jour une méthode prometteuse d'auto-calibration de l'instrument qui est selon nous amenée à devenir un argument majeur en faveur de l'interférométrie bolométrique. Nos travaux ont donné lieu à plusieurs publications, reproduites en annexe de cette thèse.

La quête des modes B de polarisation du fond diffus cosmologique est aujourd'hui un des enjeux scientifiques majeurs de la cosmologie observationnelle. Observer les modes B constituerait une sonde directe de la période d'inflation. La détection de ce signal, attendu à un niveau très faible, représente un défi technologique. Il nécessite non seulement une sensibilité importante, mais aussi une soustraction des signaux d'avant-plans et un très bon contrôle des effets systématiques. Dans ce but, un important travail expérimental est en cours. L'instrument QUBIC est une des expériences dédiées à la détection des modes B. Il est basé sur une technologie novatrice : l'interférométrie bolométrique, qui permet de réunir les avantages d'un imageur en terme de sensibilité et ceux d'un interféromètre en terme de contrôle des effets systématiques. Dans ce manuscrit, nous expliquerons le concept de l'instrument et nous décrirons ses composantes. Nous nous concentrerons sur le combineur optique de l'instrument dont nous expliciterons le rôle et nous présenterons une méthode développée afin d'étudier l'impact des aberrations optiques et des désalignements des composantes du combineur sur la sensibilité globale de l'instrument. Nous introduirons une procédure de calibration spécifique à l'interférométrie bolométrique basée sur la redondance des lignes de base : la self-calibration. Cette méthode permet de calibrer les paramètres qui caractérisent complètement l'instrument simultanément et pour chaque canal cornet-bolomètre-pointage. Finalement, nous présenterons les dernières avancées des simulations sur la fabrication des cartes avec l'instrument QUBIC et sur l'estimation des spectres de puissance.

Plusieurs observations astronomiques indiquent que la densité de matière dans notre Univers est dominée par sa composante invisible. Parmi les particules pouvant constituer cette matière, le neutralino est un candidat supersymétrique favorisé. Cette thèse s'est faite dans le cadre de la collaboration EDELWEISS. Cette expérience tente de mettre en évidence l'interaction d'un neutralino avec un noyau cible. Les bolomètres utilisés par EDELWEISS associent à la détection des phonons celle des charges créées par le dépôt d'énergie. Cette double détection permet de rejeter une partie importante du bruit de fond associé aux interactions électroniques. Actuellement, les expériences utilisant des bolomètres double composante permettant une discrimination du bruit de fond sont les plus sensibles. Les sensibilités diminuent en augmentant la masse de détecteurs et bientôt ces expériences commenceront à être limitées par le bruit de fond neutron induit par les muons cosmiques résiduels. Ce travail de thèse présente une étude détaillée des interactions inélastiques des muons (d'énergie moyenne 300 GeV au Laboratoire Souterrain de Modane) et de la production de neutrons engendrés par les muons dans différents matériaux à l'aide de simulation GEANT. Cette étude s'inscrit dans le développement des simulations de l'expérience EDELWEISS-II qui prévoit à terme l'installation de 120 détecteurs germanium. Pour rendre ces simulations les plus réalistes possibles, nous intégrons les distributions caractéristiques des muons au LSM obtenues à l'aide des données du détecteur Fréjus. Les flux de neutrons produits par les muons atteignent un tel niveau que la collaboration a décidé de mettre en place un veto muon afin de signer leur passage à l'intérieur de l'expérience EDELWEISS-II. Nous développons aussi un étude expérimentale d'un scintillateur plastique qui sera le constituant principal du veto muon. L'expérience M3 (Mesure Muon Modane) permet l'identification des muons au LSM et donne accès au spectre expérimental des pertes d'énergie des muons par ionisation. Enfin, les résultats obtenus par simulation sur l'efficacité de détection du veto muon seront présentés.Plusieurs observations astronomiques indiquent que la densité de matière dans notre Univers est dominée par sa composante invisible. Parmi les particules pouvant constituer cette matière, le neutralino est un candidat supersymétrique favorisé. Cette thèse s'est faite dans le cadre de la collaboration EDELWEISS. Cette expérience tente de mettre en évidence l'interaction d'un neutralino avec un noyau cible. Les bolomètres utilisés par EDELWEISS associent à la détection des phonons celle des charges créées par le dépôt d'énergie. Cette double détection permet de rejeter une partie importante du bruit de fond associé aux interactions électroniques. Actuellement, les expériences utilisant des bolomètres double composante permettant une discrimination du bruit de fond sont les plus sensibles. Les sensibilités diminuent en augmentant la masse de détecteurs et bientôt ces expériences commenceront à être limitées par le bruit de fond neutron induit par les muons cosmiques résiduels. Ce travail de thèse présente une étude détaillée des interactions inélastiques des muons (d'énergie moyenne 300 GeV au Laboratoire Souterrain de Modane) et de la production de neutrons engendrés par les muons dans différents matériaux à l'aide de simulation GEANT. Cette étude s'inscrit dans le développement des simulations de l'expérience EDELWEISS-II qui prévoit à terme l'installation de 120 détecteurs germanium. Pour rendre ces simulations les plus réalistes possibles, nous intégrons les distributions caractéristiques des muons au LSM obtenues à l'aide des données du détecteur Fréjus. Les flux de neutrons produits par les muons atteignent un tel niveau que la collaboration a décidé de mettre en place un veto muon afin de signer leur passage à l'intérieur de l'expérience EDELWEISS-II. Nous développons aussi un étude expérimentale d'un scintillateur plastique qui sera le constituant principal du veto muon. L'expérience M3 (Mesure Muon Modane) permet l'identification des muons au LSM et donne accès au spectre expérimental des pertes d'énergie des muons par ionisation. Enfin, les résultats obtenus par simulation sur l'efficacité de détection du veto muon seront présentés.

L'étude du fond diffus cosmologique (CMB) permet de contraindre la quasi totalité des paramètres du modèle du Big Bang avec une grande précision et offre des informations uniques sur l'Univers primordial et la physique des hautes énergies. Dans le cadre de la préparation du satellite PLANCK dédié à cette observable, l'expérience ballon ARCHEOPS, en parallèle à la cartographie des anisotropies de température du CMB sur une vaste fraction du ciel, était équipée de bolomètres sensibles à la polarisation.
Après une présentation des méthodes alternatives d'estimation des paramètres cosmologiques, la première partie de cette thèse décrit la physique du CMB et de sa polarisation. La senconde partie décrit l'analyse des données polarisées d'ARCHEOPS, montre la première détection de la polarisation de l'émission diffuse de la poussière galactique qui sera l'avant-plan majeur pour PLANCK-HFI, et conclut par les perspectives de détection des ondes gravitationnelles primordiales par ce satellite.

L'Univers, en dehors de notre Galaxie, est baigné de nombreux rayonnements, le principal étant observable dans le domaine des ondes radio centimétriques et millimétriques: le fond cosmologique (ou CMB pour {\it Cosmic Microwave Background}), corps noir de température actuelle 2.7 Kelvin. Découvert dans les années soixante, et largement étudié depuis pour ses infimes fluctuations de température et de polarisation, il se propage librement depuis une époque située environ 400000 ans après le big-bang. Il nous renseigne sur l'état de l'Univers primordial, sur son contenu, ainsi que sur certains processus physiques ayant eu lieu ultérieurement, comme la réionisation ou la formation des amas de galaxie. Un autre rayonnement d'importance cosmologique a été découvert il y a seulement quatorze ans dans les données du satellite COBE, mais ici dans le domaine de l'infrarouge lointain, vers 200 microns de longueur d'onde: le {\bf rayonnement fossile des galaxies}, ou fond diffus extragalactique infrarouge. Il est environ 50 fois moins intense que le fond cosmologique (pic à pic, ou de 20 à 40 fois moins en intégrale). Cette détection a constitué une grande surprise vu la grande intensité relative de l'infrarouge lointain par rapport à la partie visible provenant directement des étoiles. Ce fond diffus a pour origine l'émission de toutes les galaxies depuis leur formation, et résume ainsi toute leur histoire. Il est donc permis d'écrire, presque sans ironie, que {\bf la nuit n'est pas noire}, dans la mesure où, si nos yeux (avec le concours d'une hypothétique fenêtre atmosphérique) étaient sensibles aux rayonnements infrarouge lointain, millimétrique et centimétrique, ils verraient une nuit brillante de rayonnements cosmologiques. Notons que la question de la nuit noire - connue sous le nom de paradoxe d'Olbers Chéseaux - est ancienne, fertile, et touche aux fondements de la description et la compréhension de notre Univers physique, de son origine et de son évolution. Mesurer précisément ce rayonnement de fond infrarouge et comprendre la nature des galaxies qui en sont à l'origine et leur évolution, constituent l'une des thématiques importantes de la cosmologie observationnelle d'aujourd'hui. Je détaille, dans ce manuscrit de HDR, quelques-unes de mes contributions à l'étude statistique des galaxies infrarouges, à la mesure et l'interprétation du rayonnement extragalactique, et esquisse quelques perspectives. Le document de la HDR -- soutenue le 21 septembre 2010 à l'Institut d'Astrophysique Spatiale, Orsay -- et ses annexes sont disponibles en ligne sur http://www.ias.u-psud.fr/dole/hdr/

Les travaux présentés dans ce manuscrit ont comme fil conducteur la compréhension des détecteurs des instruments Archeops et Planck-HFI ainsi que la lutte contre les effets systématiques dans le but de reconstruire le spectre de puissance des anisotropies de température du Fond Diffus Cosmologique.
Après une introduction sur la physique, nous décrivons, dans une première partie, l'étalonnage des bolomètres des deux instruments à partir de sources pulsées constituées de fibres de carbone que nous avons mises au point pour mesurer les fuites optiques entre les différents étages cryogéniques du plan focal. Nous montrons l'analyse de ces fuites optiques à partir des données d'Archeops, ainsi que les mesures de diaphonie et de constantes de temps des bolomètres du modèle cryogénique de Planck-HFI. Nous présentons également l'analyse de la conductivité thermique et de la capacité calorifique des fibres afin de modéliser le comportement thermique et l'émission de ces sources.
La seconde partie est consacrée à l'étude des effets systématiques de l'analyse des anisotropies. Nous décrivons les mesures des lobes au sol et en vol, l'analyse des constantes de temps des bolomètres et l'étalonnage en flux à partir des données sur Jupiter pour Archeops. Nous montrons ensuite comment extraire les spectres de Fourier sur les cercles et comment cette dernière analyse nous renseigne sur le fond diffus, ce que nous illustrons avec les données de vol d'Archeops.
Le dernier chapitre présente un projet de mission submillimétrique permettant de cartographier tout le ciel à grande résolution dans le but de mesurer la polarisation de la poussière dans la galaxie.

Cette thèse présente une étude de certains effets systématiques instrumentaux et astrophysiques, pouvant affecter les performances des nouvelles et futures générations d'observations de la polarisation du fond diffus cosmologique (CMB). Nous étudions l'impact de ces effets sur les objectifs scientifiques de ces observations, ainsi que les techniques pour leur élimination. Ce travail se concentre sur les problèmes généraux que rencontrent les expériences de manière générale, mais se penche également sur les questions plus spécifiques soulevées dans le cadre de l'expérience d'observation des modes-B du CMB, POLARBEAR. L'objectif principal de l'effort actuel pour l'étude de la polarisation du CMB est une détection des anisotropies primordiales appelées modes-B --- une signature des théories inflationnaires non détectée à ce jour. Cela aurait un grand impact sur notre compréhension de l'univers, mais aussi des lois fondamentales de la physique. Comprendre, modéliser, et, finalement, éliminer ces effets systématiques sont des éléments indispensables pour tout pipeline d'analyse moderne du CMB. Sa réussite, de concert avec une haute sensibilité instrumentale, décidera du succès final des efforts entrepris. Dans cette thèse je décris tout d'abord l'optique des expériences typiques d'observation du CMB et propose un paramétrage des polarisations instrumentale et croisée. Deuxièmement, je présente un modèle décrivant la contamination atmosphérique et utilise celui-ci afin de donner quelques aperçus sur le rôle et l'impact de l'atmosphère sur les performances des expériences au sol. J'indique également comment ces résultats peuvent être utilisés pour améliorer le contrôle des effets atmosphériques dans l'analyse des données CMB. Ensuite, je discute d'une autre source d'effets systématiques venant du ciel --- les avants-plans astrophysiques polarisés. Dans ce contexte, je présente d'une part une nouvelle approche pour prédire les performances des futures expériences prenant en compte la présence des avant-plans, et d'autre part je propose un cadre pour l'optimisation des expériences afin qu'elles puissent atteindre de meilleures performances. Cette partie de la thèse est issue d'un travail commun avec F. Stivoli et R. Stompor. Je présente enfin une expèrience phare pour l'observation de la polarisation du CMB, POLARBEAR, dans laquelle j'ai été impliqué au cours de mes études doctorales. Je décris le statut actuel et les performances de l'instrument ainsi que quelques étapes de son pipeline d'analyse des données. En particulier, je montre des méthodes d'estimation de certains des paramètres introduits pour la modélisation d'effets systématiques, à partir de données simulées. Ce travail a été réalisé en collaboration avec les membres de l'équipe POLARBEAR.

La mission ESA Planck offre une opportunité sans précédent de mesurer de manière très précise la polarisation de l'émission Galactique et extragalactique dans le domaine millimétrique et sub-milli\-métrique ; elle devrait notamment permettre de mesurer la polarisation du Fond Cosmique Micro-ondes (FCM). Dans le premier chapitre, nous expliquons brièvement l'intérêt scientifique d'une telle mesure, et revoyons les technologies instrumentales qui la permettent. Dans le second chapitre, nous modélisons les caractéristiques statistiques de l'émission galactique polarisée, en particulier celle des poussières (plus particulièrement importante pour l'instrument haute fréquence -HFI- de Planck). Dans le troisième chapitre, nous présentons une méthode de filtrage multi-fréquence permettant la séparation des différentes composantes astrophysiques de l'émission millimétrique et sub-millimétrique, et permettant de quantifier les erreurs de la mesure des propriétés statistiques (spectre de puissance) de ces différents processus, en particulier le FCM. Dans le quatrième chapitre, nous estimons l'erreur commise sur la mesure des paramètres cosmologiques, conséquence des erreurs estimées au chapitre précédent. Dans un cinquième chapitre, nous estimons la contribution aux anisotropies du FCM de l'effet de lentille gravitationnelle en mouvement, causé par une population d'amas et de groupes de galaxies. Enfin, dans un sixième chapitre, nous présentons un modèle semi-analytique simple de formation de galaxies, où le taux de formation d'étoiles est controlé par la température du milieu intergalactique.

Le prochain défi de la cosmologie observationnelle est la mesure et la caractérisation précise des modes B, signatures des ondes gravitationnelles primordiales dans les anisotropies polarisées du Fond Diffus Cosmologique (FDC ou CMB pour Cosmic Microwave Background). La détection des ondes gravitationnelles provenant de l'inflation (une phase d'expansion exponentielle aux tous premiers instants après le Big Bang) serait une découverte majeure pour la cosmologie et pour la physique fondamentale. L'amplitude du mode B étant fixée par l'énergie caractéristique de l'inflation, cette mesure nous donnerait immédiatement l'échelle d'énergie associée à cette physique, peut-être liée à la grande unification des interactions. Le signal des modes B primordiaux est cependant au moins trois ordres de grandeur inférieur aux anisotropies en température. Atteindre la physique sous-jacente aux modes B via une caractérisation du spectre de puissance angulaire conduit à définir une expérience dédiée pour la mesure de la polarisation du CMB avec une sensibilité en polarisation limitée uniquement par les limites astrophysiques. Ceci nécessite une grande sensibilité de détection mais également une immunité accrue aux effets parasites instrumentaux susceptibles de masquer le signal cosmologique. Ces deux caractéristiques sont précisément au centre de deux programmes R&D qui sont DCMB (Développement Concerté de Matrices de Bolomètres) et BSD (B-mode Superconducting Detectors) auxquels mon équipe d'instrumentation millimétrique participe activement.
Dans le cadre de la collaboration nationale DCMB, nous avons pour objectif de développer de véritables matrices de bolomètres supraconducteurs incluant le système d'acquisition multiplexé dans un ensemble cryo-mécanique cohérent. L'immunité aux effets parasites instrumentaux pour les futurs instruments de mesure de la polarisation du CMB passe par le développement d'architectures de détection évoluée s'appuyant sur la technologie planaire supraconductrice Niobium et n'exigeant pas une parfaite similitude des détecteurs. La collaboration BSD que j'ai initiée en 2007 entre plusieurs laboratoires d'Ile de France développe actuellement les composants hyperfréquences de base pour la réalisation de telles architectures : antennes, déphaseurs, filtres, coupleurs de puissance. Ces composants permettront de réaliser un démonstrateur d'architecture de détection évoluée d'ici 2010.
Notre objectif est d'utiliser dans un premier temps ces développements pour des observations au sol en préparation aux projets spatiaux. Dans le cadre de la collaboration BRAIN-MBI entre l'Italie, le Royaume-Uni, les Etats-Unis et la France, nous développons actuellement un instrument d'un type nouveau basé sur l'interférométrie bolométrique pour la recherche des modes B de polarisation du CMB. Cet instrument combine ainsi les avantages de l'interférométrie pour la mesure des anisotropies du CMB avec la sensibilité des bolomètres. Nous prévoyons l'installation d'un premier module d'ici fin 2010 sur la station Concordia en Antarctique.

On s'intéressera, dans ce mémoire, à certains aspects phénoménologiques de l'évolution des grandes structures de l'univers, dans le cadre des modèles inflationnaires. La relativité générale prédit que le trajet des rayons lumineux est perturbé par les puits de potentiels gravitationnels ; on appelle ce phénomène, effet de lentille gravitationnelle. On donnera une description très précise de cet effet sur la lumière du rayonnement de fond micro-onde, les anisotropies de sa température et sa polarisation. Pour ce faire, après avoir exposé les grandes lignes du modèle, on rappellera comment se calculent les anisotropies de température et la polarisation ainsi que les propriétés de l'évolution des grandes structures. Le calcul de l'effet de lentille gravitationnelle sera aussi rappelé en détail. On sera ainsi en mesure d'étudier l'effet de lentille gravitationnelle sur le rayonnement de fond dans deux régimes : celui fort, dans le cas d'un effet induit par une corde cosmique, et celui faible où les sources sont les grandes structures de l'univers. On montrera, dans ce dernier cas, que température et polarisation du rayonnement de fond portent des informations sur l'histoire des grandes structures entre aujourd'hui et son époque d'émission. On exposera et l'on caractérisera une technique particulièrement prometteuse visant à extraire cette information, et qui consiste à comparer rayonnement de fond et relevés de forme des champs galactiques d'arrière plan. On étudiera aussi les enseignement que peuvent apporter ce genre d'observables sur le modèle cosmologique. Enfin, on s'attardera sur une classe de modèles exotiques dans laquelle la constante cosmique est remplacée par une composante nouvelle, la quintessence. On étudiera l'évolution des grandes structures dans ces modèles et on en tirera les conséquences phénoménologiques sur l'effet de lentille gravitationnelle.

Le travail présenté ici se place dans le cadre de la mesure de la polarisation du rayonnement de fond cosmologique. Nous commençons par rappeler les fondements du modèle standard de la cosmologie, en insistant sur les intérêts de la polarisation du fond diffus pour la cosmologie. Nous décrivons ensuite les expériences Archeops et Planck et leurs détecteurs. L'étalonnage de l'instrument hautes fréquences de Planck nécessite un système optique pour lequel nous avons recherché une surface diffusante et un polariseur adaptés au rayonnement millimétrique. Nous avons ensuite étudié l'influence de différents paramètres instrumentaux sur la mesure de la polarisation, notamment les effets liés aux lobes. Nous montrons ainsi l'importance des constantes de temps et de la calibration relative. Enfin, nous terminons par l'analyse des données d'Archeops, et montrons la présence de nuages galactiques polarisés à 353 GHz à plus de 10%, grâce à une méthode originale d'intercalibration.

Cette thèse porte sur l'utilisation d'ondelettes de seconde génération pour l'étude statistique de champs aléatoires sphériques. Parmi les phénomènes modélisables par un tel champ, on s'intéressera en particulier au Fond diffus cosmologique (CMB).

La localisation des needlets (récente construction d'ondelettes) sur la sphère est étudiée et optimisée en terme de concentration spatiale et d'estimation statistique. Ces fonctions sont ensuite utilisées pour construire un nouvel estimateur du spectre de puissance angulaire. L'examen des propriété de cet estimateur, d'un point de vue théorique (dans l'asymptotique des hautes fréquences angulaires) et pratique, montre qu'il améliore les méthodes existantes dans un modèle réaliste comportant des données manquantes et un bruit hétéroscédastique. A côté de l'estimation spectrale, l'utilisation des needlets est également introduite dans un problème de séparation de sources.

Après quatre chapitres introductifs (dédiés respectivement aux aspects physiques, analytiques et statistiques de l'étude du CMB, puis à une présentation d'ensemble des résultats), quatre articles de revue (en collaboration) sont présentés : "Practical wavelet design on the sphere" ; "CMB power spectrum estimation using wavelets" ; "Spectral estimation on the sphere with needlets: high frequency asymptotics" et "A full sky, low foreground, high resolution CMB map from WMAP".

La mesure du fond diffus cosmologique est depuis les années 1980 au centre des préoccupations majeures de la cosmologie observationnelle. Aujourd'hui, le défis est la détection des modes B de polarisation de ce rayonnement. Ceux-ci constituent une signature des ondes gravitationnelles primordiales. Afin de pouvoir atteindre cet objectif, nous avons besoin d'instruments offrant des performances exceptionnelles autant au niveau des composants que de l'architecture. Cette thèse s'intéresse de près à des composants planaires supra-conducteurs conçus pour être intégrés dans ces instruments : en particulier des filtres, des diplexeurs de polarisation et des modulateurs de phase. Ces composants pourront être utilisés dans l'interférométrie bolométrique, une architecture de détection particulièrement novatrice. L'expérience QUBIC dédié à l'observation des modes B est basé sur une telle architecture.

Cette thèse est dédiée à la mesure des anisotropies du Fond Diffus Cosmologique (CMB) ainsi qu'à la caractérisation des émissions d'avant-plan. Les travaux que nous avons entrepris s'inscrivent dans le cadre de la préparation à l'analyse et à l'exploitation des données du satellite Planck.
L'exposé débute par une introduction à la cosmologie et au CMB. Un état des lieux des mesures cosmologiques est dressé et les expériences Archeops, WMAP et Planck sont présentées.
Une deuxième partie est consacrée à l'effet d'un champ magnétique primordial sur la polarisation du CMB. Nous y dérivons les spectres de puissance angulaire de cet effet et nous donnons une limite supérieure sur l'intensité actuelle de ce champ à l'aide des données de WMAP.
Dans une troisième partie, nous présentons les analyses effectuées à partir des mesures de l'expérience Archeops. D'une part, nous montrons le caractère gaussien des données en température à 143 GHz, contraignant ainsi le paramètre de couplage non linéaire et les résidus systématiques et d'autre part, à l'aide des données à 353 GHz, nous montrons la première mesure de l'émission diffuse polarisée de la poussière galactique à grande échelle.
Une quatrième partie présente une méthode de séparation de composantes permettant d'extraire les différentes contributions physiques à partir d'observations multifréquences, en température et en polarisation. Nous caractérisons ses performances sur des simulations du ciel vu par Planck.
Enfin, dans une dernière partie, nous nous attachons à modéliser les émissions galactiques polarisées du synchrotron et de la poussière et nous comparons ces émissions simulées aux données des expériences Archeops et WMAP.

Les amas de galaxies sont les objets les plus massifs de l'Univers. Leur population étant directement liée au taux de croissance des perturbations de matière, l'évolution de leur abondance dans le temps permet de poser des contraintes sur l'évolution de l'Univers. La découverte d'un rayonnement X dans ces objets a permis de mettre en évidence les propriétés du gaz intra-amas ainsi que les différents processus responsable de l'émission X. Grâce à la capacité de spectro-imagerie haute résolution des instruments de dernière génération comme XMM-Newton ou Chandra, les observations ont permis de mieux comprendre l'évolution des amas de galaxies et d'utiliser leur abondance comme un test cosmologique. L'étude statistique optimale de cette population nécessite une bonne détermination de la masse des amas. Cette quantité n'étant cependant pas mesurable directement, des méthodes indirectes ont été développées notamment en utilisant des relations d'échelle ce qui permet de relier la masse aux propriétés du gaz intra-amas. Cependant la physique de ce gaz peut engendrer des biais dans la détermination de la masse qui se répercutent sur la détermination des paramètres cosmologiques. Cette thèse présente une étude du gaz intra-amas à travers la relation d'échelle masse-température à partir des contraintes obtenues grâce à différentes sondes cosmologiques ainsi que la distribution en température des amas X. Avec la publication des futurs résultats des expériences Planck, South Pole Telescope ou bien Atacama Cosmology Telescope, une prédiction de la population des amas observés par effet Sunyaev-Zel'dovich est détaillée en prenant en compte les propriétés X du gaz intra-amas de façon auto-consistante. Enfin, une étude qualitative du spectre de puissance des anisotropies secondaires du CMB induites par l'effet SZ est proposée afin de montrer les différences observées dans le spectre en prenant en comptes les propriétés du gaz des amas.

Dans le cadre de l'expérience EDELWEISS, nous avons cherché des WIMPs, hypothétiques et discrètes particules supersymétriques, qui pourraient éclaircir l'énigme de la matière sombre. Pour cela, nous avons employé un bolomètre à ionisation, monocristal de 70 g de germanium à 20 mK, dans lequel un WIMP diffusant élastiquement sur un noyau créerait deux signaux : une impulsion de température et une charge. Afin de s'affranchir des bruits électroniques affectant nécessairement les signaux, faibles, nous avons appliqué une méthode de filtrage optimal dans l'espace des fréquences. Elle fournit des résolutions de 1.2 keV LTMH à 122 keV d'énergie sur les deux voies. D'autre part, elle permet de bien séparer jusqu'aux basses énergies le signal attendu (reculs nucléaires) des contaminations radioactives photoniques (reculs électroniques, plus ionisants pour une énergie identique). Ainsi, sur des étalonnages, nous rejetons 99.7% du fond,tout en conservant 95% du signal, au-delà de 15 keV. Lors des 1.17 kg.jours de données prises pour chercher les WIMPs, nous avons constaté une population du fond radioactif s'immisçant dans le signal attendu. Il s'agit vraisemblablement d'une composante électromagnétique de basse énergie, interagissant superficiellement dans le détecteur, où la charge ne peut être collectée complètement. Néanmoins, moyennant la conservation de seulement la moitié du signal, nous pouvons encore rejeter 98.5% du fond. Ceci permet de passer d'un taux de 40 évts/j/kg/keV à une limite supérieure (à 90%) conservatrice sur le signal de 0.6 évts/j/kg/keV. Il s'agit d'une amélioration de près de trois ordres de grandeur depuis la campagne précédente, et qui se rapproche des zones prédites par la supersymétrie.

La propagation des rayons Ɣ de très haute énergie (E > 100GeV) dans l'univers est affectée par les propriétés du milieu extragalactique. Ces photons à l'échelle du TeV, issus des processus d'accélération de particules dans les noyaux actifs de galaxies, peuvent en effet interagir avec des photons du fond optique et infrarouge qui baignent l'univers et produire des paires d'électrons et de positrons. Ce processus réduit la transparence de l'univers aux rayons Ɣ de très haute énergie mais permet en revanche de sonder les propriétés du milieu extragalactique de façon unique. Dans cette thèse, les données prises par le réseau de télescopes à imagerie Tcherenkov atmosphérique H.E.S.S. sont analysées et utilisées afin de caractériser la transparence de l'univers aux rayons Ɣ de très haute énergie. Une mesure indépendante de la distribution spectrale en énergie du fond cosmologique optique et infrarouge est réalisée à travers l'ajustement des modulations observées dans les spectres en énergie obtenus avec H.E.S.S. pour un échantillon de noyaux actifs de galaxies brillants dans une gamme en redshift 0.03 < z < 0.28. Les résultats obtenus sont compatibles avec les limites inférieures dérivées par comptages de galaxies et ne suggèrent pas d'anomalie de la transparence de l'univers aux rayons Ɣ vis à vis des modèles actuels du fond de lumière extragalactique. Des processus de second ordre affectant la propagation des rayons Ɣ de très haute énergie sont également explorés. Des limites sur une brisure de la symétrie de Lorentz à l'échelle de Planck sont obtenues à partir de l'analyse spectrale du noyau actif Mrk 501 observé dans un état de flux exceptionnel par H.E.S.S. en 2014, à grand angle zénithal. Enfin, des contraintes sur le champ magnétique extragalactique sont dérivées en considérant l'émission Ɣ secondaire attendue à partir de simulations des cascades électromagnétiques initiées lors du processus d'absorption pour le noyau actif distant PG 1553+113 vu par H.E.S.S. et le télescope spatial Fermi. Cette thèse a également été l'occasion d'une participation aux développements de certains aspects de la calibration et de l'analyse des données de H.E.S.S
The propagation of very high energy Ɣ rays in the universe depends on the properties of the extragalactic medium. Such TeV-scale photons travelling cosmological distances are -emitted through particle acceleration mechanisms in active galaxy nuclei- can interact with the low-energy photons of the extragalactic background light (EBL) and produce electron-positron pairs. This effect reduces the transparency of the universe to very high energy Ɣ rays but it also provides a unique opportunity to probe the properties of the extragalactic medium. In this thesis, data taken with the H.E.S.S. array of Cherenkov telescopes are analyzed and used to characterize the transparency of the universe to very high energy Ɣ rays. A independent measurement of the spectral energy distribution of the EBL with H.E.S.S. is presented. It is obtained by extracting the EBL absorption signal from the fit of spectral modulations in the high-quality spectra of a sample of bright blazars in the redshift range 0.03 < z < 0.28. The intensity of the EBL obtained in different spectral bands is presented together with the associated Ɣ-ray horizon. The obtained results are consistent with lower limits derived from galaxy counts and do not suggest an anomaly of the transparency of the universe to Ɣ rays with respect to current models of the extragalactic background light. Second-order processes affecting the propagation of very high energy Ɣ rays in the universe are also considered. Limits on Lorentz invariance violation at Planck scale are obtained from the spectral analysis of the active galaxy nucleus Mrk 501 observed during a high-flux state by H.E.S.S. in 2014, at large zenith angle. Finally, constraints on the extragalactic magnetic field properties are derived by considering the secondary Ɣ-ray emission expected from the simulation of electromagnetic cascades initiated by the absorption process for the distant active galaxy nucleus PG 1553+113 seen by H.E.S.S. and the Fermi Ɣ-ray space telescope. In this thesis some developments related to the calibration and analysis of H.E.S.S. data are also presented

Cette habilitation a' diriger des recherches de ́crit les travaux de recherche que j'ai effectue ́s depuis ma soute- nance de the'se qui en 1999. Elle s'articule autour de deux parties correspondants aux deux the'mes scientifiques sur lesquels j'ai travaille ́ ces dernie'res anne ́es : les rayons cosmiques d'ultra-haute e ́nergie et l'e ́tude du fond diffus cosmologique. C'est au sein de la collaboration Pierre Auger que j'ai travaille ́ sur la the ́matique des rayons cosmiques ultra- e ́nerge ́tiques entre fin 2002 et fin 2006. Il s'agit la' du plus grand de ́tecteur jamais construit par l'homme destine ́ a' eclaircir un myste're vieux de plus d'un sie'cle : quelle est la nature, ou' sont produits, et comment se propagent lesrayonscosmiquesquel'onobservea'dese ́nergiesdequelques1019eV?enexiste-t-ilau-dela'delafameuse coupure GZK qui, du fait le la perte d'e ́nergie des rayons cosmiques aux plus hautes e ́nergies par inte ́raction avec le fond diffus cosmologique limite l'horizon a' quelques centaines de Mpc a' ces e ́nergies? Je de ́cris dans cette habilitation mes travaux d'analyse de donne ́es concernant d'une part la recherche d'e ́ventuelles aniso- tropies dans la distribution sur le ciel des rayons cosmiques (des anisotrpies aux petites e ́chelles permettant d'identifier les sources, et aux plus grandes e ́chelles pouvant signer divers sce ́narios, par exemple top-down si l'on observe un exce's en provenance du centre Galactique) et d'autre part sur sur la recherche de photons aux plus hautes e ́nergies, une des signatures les plus claires d'une origine top-down pour les rayons cosmques les plus e ́nerge ́tiques. Les re ́sultats ne ́gatifs de cette recherche de photons, ajoute ́s a' l'observation claire de la cou- pure GZK ont permis a' l'Observatoire Pierre Auger de trancher en faveur d'une origine bottom-up, c'est a' dire issue d'acce ́le ́rateurs cosmiques, pour les rayons cosmiques les plus e ́nerge ́tiques. Par ailleurs, aucune aniso- tropien'estpourl'heureobserve ́eauxplusgrandese ́chellesalorsquelesrayonscosmqieslespluse ́nerge ́tiques montrent une autocorre ́lation significative aux petites e ́chelles, en corre ́lation avec un catalogues d'AGN (dont la distribution spatiale est elle-meˆme corre ́le ́e au reste de la matie're, cela' ne signe donc pas les AGN comme sites d'acce ́le ́ration). J'ai commence ́ a' aborder la the ́matique des anisotropies du fond diffus cosmologique au cours de mon post- doctorat et de ma premie're anne ́e au CNRS au sein de l'e ́xperience Archeops, un projet ballon d'observation de latempe ́ratureetdelapolarisationdecerayonnementsavecuneinstrumentationsimilairea'celledePlanck-HFI. J'ai travaille ́ a' l'e ́laboration des cartes du ciel et a' l'extraction du spectre angulaire de puissance des fluctuations de tempe ́rature, permettant l'observation pre ́cise, avant WMAP, du premier pic acoustique, et la de ́termination des parame'tres cosmologiques. J'ai rejoint a' nouveau cette the ́matique fin-2006 au sein de la collaboration QU- BIC dont l'objectif est de ́tecter les modes-B de polarisation du fond diffus cosmologique. Ces derniers sont la signature d'ondes gravitationnelles primordiales, c'est a' dire de modes tenseurs engendre ́s par l'inflation. Leur de ́tection et la mesure de leur spectre est conside ́re ́e comme le Graal de la cosmologie contemporaine tant ont apprendrait sur les processus a' l'oeuvre dans l'Univers primordial : mesure de l'e ́chelle en e ́nergie de l'inflation, de ́termination de la forme du potentiel de l'inflaton, tests de cohe ́rence interne du mode'le inflationnaire. Ces modes-b de polarisation sont d'une amplitude si faible (en dessous du micro-Kelvin) qu'une nouvelle ge ́ne ́rtion d'intrumentsestrequisepourlesobserver:largesmatricesdebolome'tres(limite ́sparlebruitdephotons),design instrumental minimisant l'impact des effets syste ́matiques qui pourraient devenir dominants pour des de ́tecteurs aussi sensibles. Le projet QUBIC est base ́ sur le concept d'interfe ́rome ́trie bolome ́trique, combinant les avan- tages des bolome'tres en terme de sensibilite ́ et ceux des interfe ́rome'tres en terme de faible contamination par les effets syste ́matiques. Depuis pre's de trois ans, je travaille au de ́veloppement du concept instrumental d'un interfe ́rome'tre bolome ́trique : reconstruction des visibilite ́s de manie're optimale graˆce a' des modulateurs de phases, calcul de la sensibilite ́s et comparaison avec un imageur et un interfe ́rome'tre classique (montrant que nous avons en effet un interfe ́rome'tre plus sensible graˆce aux de ́tecteurs bolome ́triques) et enfin de ́termination du design optimal de l'instrument QUBIC afin d'atteindre notre objectif scientifique d'eˆtre en mesure d'exclure un rapport entre les modes tenseurs et scalaires de 0.01 a' 95% de niveau de confiance en un an. L'instrument ne ́cessaire est typiquement un ensemble de 6 modules d'interfe ́rome'tres comprenant chacun 144 cornets, une feneˆtre de 40 cm de diame'tre et un plan focal comprenant 900 bolome'tres avec une largeur de bande de 25%.

Cette thèse présente plusieurs aspects de l'interaction entre la physique des hautes énergies et la cosmologie. Elle étudie en détail les prédictions d'une classe de théories de physique des particules au-delà du Modèle Standard concernant la formation des défauts topologiques (cordes cosmiques en particulier). Ce cadre de travail permet aussi de définir des modèles d'inflation bien motivés qui sont eux aussi étudiés. Dans le cadre des théories de Grande Unification supersymétrique, on construit une classe de modèles en accord avec la phénoménologie de la physique des particules et les observations de la cosmologie. Ces modèles doivent en particulier être en accord avec les mesures sur la durée de vie du proton, doivent expliquer les oscillations des neutrinos, et l'asymétrie matière/antimatière. Une phase d'inflation hybride doit, par ailleurs, permettre de résoudre les problèmes de la cosmologie. Dans ce cadre motivé, la généricité de la formation des cordes cosmiques est démontrée. Ces cordes sont stables et génériquement formées à la fin de la dernière phase d'inflation. Cela montre qu'elles sont très massives et ont un rôle potentiellement important dans la génération des fluctuations de température du fond diffus cosmologique. Comme les observations cosmologiques indiquent une rôle faible voire négligeable, cela contraint fortement les modèles théoriques.

Une étude de la contribution relative de ces cordes cosmiques aux anisotropies de température pour les deux modèles standards d'inflation hybride supersymétrique permet de montrer qu'ils sont tous deux en accord avec les observations, contrairement à ce que l'on pensait. Les contraintes fortes sur la contribution admissible des cordes aux CMB se traduisent alors en contraintes fortes sur tous les paramètres des modèles inflationnaires : constantes de couplage et échelle d'énergie de l'inflation. A la lumière de ces nouvelles contraintes, il devient possible de s'exprimer quant à l'aspect naturel de ces théories. On montre ainsi qu'ils souffrent de la nécessité d'ajuster finement leurs constantes de couplage : ceci est définitivement reconnu comme non naturel.

La contrainte sur la phase inflationnaire est aussi étudiée du point de vue de l'extraction de ses paramètres à partir des données d'expériences futures d'observation de la polarisation du CMB. Des outils statistiques permettant de mesurer les paramètres cosmologiques et d'estimer l'erreur sur ces estimations sont numériquement implémentés. L'effet de lentille gravitationnelle sur ces outils est ensuite étudié analytiquement et numériquement. Cela permet de valider l'approximation usuelle qui consiste à négliger l'effet de lentille sur la non gaussianité des données du CMB, à travers leur fonction de corrélation à quatre points.

Le satellite Planck, dont le lancement est prévu en 2007, constituera la troisième génération d'instruments dédiés à l'observation de l'anisotropie du corps noir cosmologique, avec une sensibilité environ 600 fois meilleure que COBE. C'est grâce à l'évolution des technologies instrumentales au niveau des détecteurs bolométriques, de la cryogénie et de l'électronique à faible bruit que cette avancée considérable est possible. Une mesure aussi sensible demande la maîtrise de plusieurs aspects intimement liés: l'acquisition de signaux bas niveau, la production et la maîtrise des basses températures, le contrôle du rayonnement parasite et la stabilité de la mesure. Ce mémoire traite des relations entre ces différents aspects mais aussi des avancées technologiques auxquelles j'ai contribué dans chacun de ces domaines. Les deux premiers chapitres sont consacrés à la description d'une part du contexte scientifique et d'autre part du satellite Planck et de l'instrument HFI (High Frequency Instrument). Le troisième chapitre expose la mise au point et l'utilisation du cryostat Symbol qui m'a permis de tester et de valider des solutions techniques pour HFI. Le quatrième chapitre concerne la chaîne de détection bolométrique et le développement d'un système symétrique pour HFI. Le problème de la lumière parasite est traité en chapitre 5 et conduit aux spécifications de stabilité de température des différents étages de Planck-HFI. Ceci m'a ammené à étudier les solutions technologiques permettant d'atteindre ces spécifications au niveau de l'étage 100mK supportant les bolomètres, sujet traité en chapitre 6, alors que le chapitre 7 est consacré à la thermométrie HFI du point de vue de la sensibilité et de la précision. Enfin, le dernier chapitre montre comment ces progrès instrumentaux rendent possible la détection par Planck-HFI de l'effet dipolaire dans le Fond Diffus Extragalactique Sub-millimétrique (FDES) provenant de l'émission intégrée des galaxies qui ne sont pas résolues.

Cette thèse présente un travail sur la détermination des paramètres cosmologiques, décrivant le contenu énergétique de l'Univers et sa courbure, à partir des données actuelles de supernovæ (UNION), du fond diffus cosmologique (WMAP) et des oscillations acoustiques de baryons (SDSS). L'observation de supernovæ de type Ia a mis en 'évidence l'accélération de l'expansion de l'Univers souvent expliquée par une énergie noire, de nature inconnue. Dans ce cadre, nous avons d'abord réalisé une analyse combinée de ces trois sondes qui montre que les données sont compatibles avec le modèle ¤CDM. A l'aide de simulations, nous avons étudiée en détail les diverses hypothèse souvent utilisées pour extraire les paramétres cosmologiques. En particulier, la dégénérescence géométrique implique souvent de supposer la platitude. Nous avons 'étudiée en détail le biais induit par cette hypothèse. Nous avons conclu qu'un univers courbe d'énergie noire dynamique peut être interprété comme un univers plat avec une constante cosmologique.

In experiments looking for rare events, like neutrinoless double beta decay (DBD0v) and dark matter search (DM), one of the main issues is to increase the experimental sensitivity through the material selection and production. In the specific the background contribution coming from the materials used for the detector realization has to be minimized. Moreover the net reduction of the background produced by the bulk part of the apparatus has raised concerns about the background contribution coming from the surfaces. Many procedures and techniques were developed during the last years in order to remove and to minimize the presence of possible contaminants on detector surfaces. To succeed in this strategy a big effort was put in defining all possible mechanisms that lead to surface contaminations, as well as specific cleaning procedures, which are able to reduce and control the surface radioactivity. The presence in air and gases of possible radioactive elements that can stick on the detector surfaces can lead to a recontamination process that will vanish all the applied cleaning procedures. Here is presented and analyzed the contribution to the background of rare events experiments like CUORE (DBD0v) and EDELWEISS (DM) produced by an exposure of their detector components to a big activity of 222Rn, radioactive daughter isotope from the 238U chain.

La thématique principale de mon travail de thèse est l’é;volution et la formation structures en fonction du décalage vers le rouge (redshift par la suite).Mon travail de thèse se divise en deux parties distinctes, qui finalement se regroupent au cours de mes derniers travaux. Dans un premier temps, j’ai étudié l’évolution du Fond Diffus Infrarouge (Cosmic Infrared Background, CIB par la suite) en fonction du redshift à 70 et 160 µm en utilisant des données provenant du satellite Spitzer. J’ai effectué ce travail dans les champs GOODS & COSMOS en appliquant la méthode d’empilement (stacking, par la suite). Dans un second temps, j’ai étudié la distribution de masse dans des amas de galaxies situé à grand redshift en utilisant le lentillage gravitationnel faible. Pour ce faire, j’ai utilisé des données optiques provenant du satellite spatial Hubble (Hubble Space Telescope, HST par la suite). Ces données proviennent du relevé d’amas MACS (MAssive Cluster Survey). Les amas de galaxies étudiés ici font partis d’un sous-échantillon MACS, l’échantillon "grand-z" (high-z subsample). Comprendre l’état d’évolution des amas de galaxies à grand redshift permettrait de mettre des contraintes sur les modèles de formation et d’évolution des structures. La compréhension du cycle d’évolution des amas de galaxies est l’un des enjeux majeurs de la Cosmologie observationnelle actuelle
The principal thematic of my thesis work is the evolution and the formation of structures as a function of the redshift.My thesis analysis can be separated un two distinct parts, which can finally be merged in a third part with my last works.Firstly, I studied the evolution of the Cosmic Infrared Background (CIB) as a function of redshift at 70 and 160 µm using data from the Spitzer Space Telescope. This analysis was performed in the GOODS & COSMOS fields by applying a stacking method.Secondly, I studied the mass distribtuion in massive galaxy clusters at high redshifts by using the gravitational lensign effect.I used optical data coming from the Hubble Space Telescope. The sample of galaxy clusters I used comes from a subsample of the MAssive Cluster Survey (MACS, PI:E. Ebeling) named the "high-z" sample, and which comprises 12 clusters.Understanding the state of evolution of galaxy clusters at high redshift wil allow us to put constraints on formation and evolution models of structures. The understanding of the evolution cycle of galaxy clusters is mandatory in terms of Observational Cosmology

Mon travail s'inscrit dans un contexte de préparation aux futures expériences haute-sensibilité et haute-résolution sensibles à la polarisation du fond diffus cosmologique et à l'effet de lentilles gravitationnelles. Le premier chapître se veut une introduction à la polarisation du rayonnement de fond et aux expériences à venir dédiées à sa mesure. Ensuite, je présente l'expérience Planck et décris la chaîne de simulations rapides de signaux temporels que j'ai développé pour faciliter l'élaboration et le test des algorythmes d'analyse des données Planck. Les deux derniers chapitres sont consacrés à l'effet de lentille gravitationnelle sur le rayonnement de fond. Tout d'abord, j'évalue la capacité des futures expériences précédemment décrites à mesurer le spectre de puissance des Grandes Structures à partir d'une estimation de l'effet de lentille. J'en déduis leur sensibilité à une masse non-nulle des neutrinos -- suggérée par les expériences d'oscillation -- supprimant les petites échelles angulaires au sein du spectre angulaire de la matière. Enfin, je développe une méthode pour caractériser les effets délétères des avant-plans sur l'estimation de l'effet de lentille. Je valide cette méthode, mettant en oeuvre le meilleur estimateur linéaire de lentilles décrit dans la littérature, grâce à une simulation numérique de cartes du rayonnement de fond diffus affecté par les lentilles et de l'émission des sources radio extra-galactiques. Je trouve que la présence de sources amoindris la sensibilité des expériences au potentiel gravitationnel de la Matière Noire et entraîne la surestimation de son spectre de puissance angulaire.

Les preuves pour l'existence de la matière noire (MN), sous forme d'une particule inconnue qui rempli les halos galactiques, sont issues d'observations astrophysiques et cosmologiques: son effet gravitationnel est visible dans les rotations des galaxies, des amas de galaxies et dans la formation des grandes structures de l'univers. Une manifestation non-gravitationnelle de sa présence n'a pas encore été découverte. L'une des techniques les plus prometteuse est la détection indirecte de la MN, consistant à identifier des excès dans les flux de rayons cosmiques pouvant provenir de l'annihilation ou la désintégration de la MN dans le halo de la Voie Lactée. Les efforts expérimentaux actuels se focalisent principalement sur une gamme d'énergie de l'ordre du GeV au TeV, où un signal de WIMP (Weakly Interacting Massive Particles) est attendu. L'analyse des mesures récentes et inédites des rayons cosmiques chargés (antiprotons, électrons et positrons) et leurs émissions secondaires et les améliorations des modèles astrophysiques sont présentées.Les données de PAMELA sur les antiprotons contraignent l'annihilation et la désintégration de la MN de manière similaire (et même légèrement meilleurs) que les contraintes les plus fortes venant des rayons gamma, même dans le cas où les énergies cinétiques inférieures à 10 GeV sont écartées. En choisissant des paramètres astrophysiques différents (modèles de propagation et profils de MN), les contraintes peuvent changer d'un à deux ordres de grandeur. Pour exploiter la totalité de la capacité des antiprotons à contraindre la MN, des effets précédemment négligés sont incorporés et se révèlent être importants dans l'analyse des données inédites de AMS-02 : ajouter les pertes d'énergie, la diffusion dans l'espace des moments et la modulation solaire peut modifier les contraintes, même à de hautes masses. Une mauvaise interprétation des données peut survenir si ces effets ne sont pas pris en compte. Avec les flux de protons et d'hélium exposé par AMS-02, le fond astrophysique et ces incertitudes du ratio antiprotons sur protons sont réévalués et comparés aux données inédites de AMS-02. Aucune indication pour un excès n'est trouvé. Une préférence pour un halo confinant plus large et une dépendance en énergie du coefficient de diffusion plus plate apparaissent. De nouvelles contraintes sur l'annihilation et la désintégration de la MN sont ainsi dérivés.Les émissions secondaires des électrons et des positrons peuvent aussi contraindre l'annihilation et la désintégration de la MN dans le halo galactique : le signal radio dû à la radiation synchrotron des électrons et positrons dans le champs magnétique galactique, les rayons gamma des processus de bremsstrahlung avec le gas galactique et de Compton Inverse avec le champs radiatif interstellaire sont considérés. Différentes configurations de champs magnétique galactique et de modèles de propagation et des cartes de gas et de champs radiatif interstellaire améliorés sont utilisées pour obtenir des outils permettant le calculs des émissions synchrotrons et bremsstrahlung venant de MN de type WIMP. Tous les résultats numériques sont incorporés dans la dernière version du Poor Particle Physicist Coookbook for DM Indirect Detection (PPPC4DMID).Une interprétation d'un possible excès dans les données de rayons gamma de Fermi-LAT au centre galactique comme étant dû à l'annihilation de MN en canaux hadronique et leptonique est analysée. Dans une approche de messagers multiples, le calcul des émissions secondaires est amélioré et se révèle être important pour la détermination du spectre pour le canal leptonique. Ensuite, les limites provenant des antiprotons sur l'annihilation en canal hadronique contraignent sévèrement l'interprétation de cet excès comme étant dû à la MN, dans le cas de paramètres de propagation et de modulation solaire standards. Avec un choix plus conservatif de ces paramètres elles s'assouplissent considérablement
Overwhelming evidence for the existence of Dark Matter (DM), in the form of an unknownparticle filling the galactic halos, originates from many observations in astrophysics and cosmology: its gravitational effects are apparent on galactic rotations, in galaxy clusters and in shaping the large scale structure of the Universe. On the other hand, a non-gravitational manifestation of its presence is yet to be unveiled. One of the most promising techniques is the one of indirect detection, aimed at identifying excesses in cosmic ray fluxes which could possibly be produced by DM annihilations or decays in the Milky Way halo. The current experimental efforts mainly focus in the GeV to TeV energy range, which is also where signals from WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) are expected. Focussing on charged cosmic rays, in particular antiprotons, electrons and positrons, as well as their secondary emissions, an analysis of current and forseen cosmic ray measurements and improvements on astrophysical models are presented. Antiproton data from PAMELA imposes contraints on annihilating and decaying DM which are similar to (or even slightly stronger than) the most stringent bounds from gamma ray experiments, even when kinetic energies below 10 GeV are discarded. However, choosing different sets of astrophysical parameters, in the form of propagation models and halo profiles, allows the contraints to span over one or two orders of magnitude. In order to exploit fully the power of antiprotons to constrain or discover DM, effects which were previously perceived as subleading turn out to be relevant especially for the analysis of the newly released AMS-02 data. In fact, including energy losses, diffusive reaccelleration and solar modulation can somewhat modify the current bounds, even at large DM masses. A wrong interpretation of the data may arise if they are not taken into account. Finally, using the updated proton and helium fluxes just released by the AMS-02 experiment, the astrophysical antiproton to proton ratio and its uncertainties are reevaluated and compared to the preliminarly reported AMS-02 measurements. No unambiguous evidence for a significant excess with respect to expectations is found. Yet, some preference for thicker halos and a flatter energy dependence of the diffusion coefficient starts to emerge. New stringed constraints on DM annihilation and decay are derived. Secondary emissions from electrons and positrons can also be used to constrain DM annihilation or decay in the galactic halo. The radio signal due to synchrotron radiation of electrons and positrons on the galactic magnetic field, gamma rays from bremsstrahlung processes on the galactic gas densities and from Inverse Compton scattering processes on the interstellar radiation field are considered. With several magnetic field configurations, propagation scenarios and improved gas density maps and interstellar radiation field, state-of-art tools allowing the computaion of synchrotron and bremssttrahlung radiation for any WIMP DM model are provided. All numerical results for DM are incorporated in the release of the Poor Particle Physicist Coookbook for DM Indirect Detection (PPPC4DMID). Finally, the possible GeV gamma-ray excess identified in the Fermi-LAT data from the Galactic Center in terms of DM annihilation, either in hadronic or leptonic channels is studied. In order to test this tantalizing interprestation, a multi-messenger approach is used: first, the computation of secondary emisison from DM with respect to previous works confirms it to be relevant for determining the DM spectrum in leptonic channels. Second, limits from antiprotons severely constrain the DM interpretation of the excess in the hadronic channel, for standard assumptions on the Galactic propagation parameters and solar modulation. However, they considerably relax if more conservative choices are adopted

Les premiers photons libérés par la matière constituent le fond diffus cosmologique (CMB) observé aujourd'hui à T=2.725K. C'est l'image électro-magnétique de notre Univers la plus lointaine qui nous soit accessible. L'étude statistique des minuscules inhomogéités du CMB devrait permettre pratiquement à elle seule la détermination du contenu et de la geométrie de l'Univers. Toutefois d'autres photons émis ultérieurement par les premiers astres de l'Univers sont également massivement présents. En particulier les galaxies avec leurs étoiles et leurs nuages de poussière ont émis des rayonnements constituant un fond diffus infra-rouge (CIB). Ce fond est très difficile à détecter en raison de la pollution lumineuse du Système Solaire et de la Galaxie, en particulier dans l'infra-rouge moyen. On peut cependant tirer partie de l'interaction de ces photons avec d'autres plus énergétiques rencontrés en chemin pour contraindre leur densité en fonction de leur energie. Ce manuscrit indique par quels moyens directs (expériences CMB ballon Archeops ou satellite Planck) ou indirects (expériences gamma au sol CAT et HEGRA) ces fonds diffus peuvent être mis en évidence et conduire à une description de l'Univers cohérente et - peut-être - juste. The first photons decoupled from the matter constitute the Cosmic Microwave Background (CMB) observed today at T=2.725 K. They form the oldest electromagnetic picture of our Universe. The statistical study of the tiny inhomogeneities of the CMB should allow, almost only by themselves, to determine the content and the geometry of the Universe. Nevertheless other photons are numerous. In particular star and dust radiations form the Cosmic Infrared Background (CIB). This background is very difficult to detect due to the Solar and Galactic light pollution, in particular in the mid-infrared. But it is possible to take benefit of the interaction of the CIB photons with other energetic enough ones to constrain their density in function of their wavelengths.This report shows how directely (Archeops balloon or Planck satellite CMB experiments) or indirectely (CAT and HEGRA ground based gamma experiments), these backgrounds can be detected and lead to a coherent and - maybe - true description of the Universe.

L'expérience embarquée en ballon Archeops a cartographié les anisotropies du Fond Diffus Cosmologique (CMB) avec une résolution angulaire de 10 minutes d'arc sur une portion du ciel de 30%. Elle constitue également un banc-test pour la mission Planck-HFI de l'ESA.
Le travail de cette thèse a porté sur l'étalonnage sol à l'aide d'une source thermique millimétrique des trois vols effectués par Archeops et l'analyse des données obtenues. Le traitement des données ordonnées en temps est détaillé en plusieurs étapes : signalisation des données corrompues, soustraction des effets systématiques à basse fréquence, puis à haute fréquence. Dans ce dernier cas, une méthode originale est proposée qui permet à quelques détecteurs de satisfaire aux hypothèses de stationnarité et de gaussianité des codes de cartographie. Les solutions fournies par trois de ces codes sont comparés à l'aide de simulations.
Le spectre de puissance angulaire des anisotropies permet de contraindre les différents paramètres du modèle cosmologiquc standard, et par conséquent les paramètres physiques du modèle inflationnaire considéré pour générer les pertubations primordiales dont les anisotropies sont l'empreinte. Cette thèse présente ce qu'Archeops peut apporter dans ce domaine.

Cette thèse illustre les nombreuses possibilités permettant de relier les perturbations cosmologiques aux modèles théoriques décrivant l'univers. Aujourd'hui, nous observons ces perturbations cosmologiques sous des formes diverses. Les observations considérées dans cette thèse sont les anisotropies du rayonnement de fond cosmologique (CMB) et la distribution de matière dans l'univers (galaxies et amas de galaxies).

Si à un temps initial, l'univers consistait en un plasma homogène et isotrope de matière et de rayonnement, il serait toujours homogène et isotrope aujourd'hui. Les perturbations cosmologiques n'existeraient pas. Cependant, nous les observons. Le mécanisme de génération des perturbations considéré comme le plus plausible est le paradigme de l'inflation. Nous introduisons de nouveaux outils pour tester l'inflation. Nous sommes allés au-delà des approximations analytiques, et avons obtenu les contraintes sur le potentiel de l'inflaton les plus robustes publiées a ce jour.

Une fois les perturbations cosmologiques engendrées, elles continuent d'évoluer. Le CMB porte l'emprunte de ces perturbations telles qu'elles étaient au moment du découplage des photons. Par la suite, les photons ont voyagé librement à travers l'univers, en interagissant encore gravitationnellement avec les fluctuations de matière qu'ils traversaient. Nous avons montré que cet effet secondaire peut être utilisé pour améliorer les contraintes sur la masse totale des neutrinos. Nous avons aussi montré qu'il est à l'origine de plusieurs problèmes pour une classe de modèles cosmologiques dans lesquels les inhomogénéités de l'univers pourraient expliquer l'accélération apparente de son expansion: le modèle d'univers à bulles (swiss-cheese universe). Dans cette thèse, l'univers à bulle - tel qu'il a été définit dans la littérature - est infirmé.

Les perturbations cosmologiques sont une source très riche d'informations sur l'évolution physique de notre univers.

La compréhension des mécanismes d'émission et de variabilité au coeur des blazars émetteurs au TeV reste une question ouverte au sein de la communauté de l'astrophysique des hautes énergies. Le rayonnement extrême de ces objets permet de sonder les régions les plus proches du trou noir afin de poser des contraintes sur les mécanismes d'accélération des particules émissives. Nous considérons ici une distribution en énergie de ces particules sous la forme d'une quasi-maxwellienne relativiste. Ce type de distribution est justifié dans le cadre de l'accélération stochastique de particules de type interaction ondes MHD/plasmas. Ce manuscrit décrit la mise en oeuvre de cette distribution particulière dans le cadre de deux approches de modélisation différentes, la première dite homogène où la zone d'émission est supposée sphérique et la seconde dite inhomogène décrit le rayonnement d'un jet stratifié, et ce dans le cadre du « two-flow model ». Dans le deux cas, afin de rendre compte du caractère transitoire des périodes d'éruption, l'approche est menée de manière dépendante du temps et le processus de création de paires par photo-annihilation joue un rôle primordial. Nous avons de plus pris en compte l'atténuation du signal gamma par les photons du fond cosmique infrarouge lors de leur parcours vers l'observateur. Nous nous sommes de plus attaché à poser des contraintes sur la dynamique d'ensemble des jets à partir d'arguments statistiques simples ; nous avons mis en évidence pourquoi les modèles homogènes en général, ne sont pas appropriés pour la déduction des vitesses d'ensemble de ces sources bien qu'ils reproduisent remarquablement leurs caractéristiques spectrales.