La nuit n'est pas noire: le rayonnement de fond extragalactique et l'évolution des galaxies infrarouges

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