High redshift Damped Lyman-alpha systems: Study of molecular hydrogen

High redshift Damped Lyman-alpha systems, observed in absorption on the line of sight to background quasars, are the spectral signatures of the interstellar medium in the distant Universe. However, few tools are available to understand the physical properties of the associated objects. A technique that relies on well-understood physics and has been widely applied to the local interstellar medium is the study of molecular hydrogen. The specific radiative and collisional properties of this molecule make it a very sensitive probe of the physical conditions in the gas.In this thesis, I study the presence of molecular hydrogen in the interstellar medium at high redshift, from a unique sample of Damped Lyman-alpha systems observed at high signal-to-noise ratio and high spectral resolution. Subsequent work aim to investigate the properties of and physical conditions in the neutral gas associated to these systems (temperature, density, chemical composition, molecular fraction, dust content, intensity of the radiation field).In parallel, I perform a systematic search for and a statistical study of Damped Lyman-alpha systems in order to measure the neutral gas content of the Universe, characterize its distribution and its evolution with cosmic time and therefore constrain galaxy formation.Finally, I show the possibility of detecting and studying other molecules like deuterated molecular hydrogen and carbon monoxide in the interstellar medium at high redshift. The tools developed in this thesis for automatic analysis of spectra lead to the first detection of CO in such a medium, opening the way to interstellar astrochemistry in the distant Universe.
Les systèmes Lorentziens Lyman-alpha à grand décalage spectral, observés en absorption sur la ligne de visée de quasars, sont les signatures spectrales du milieu interstellaire dans l'Univers lointain. Peu d'outils sont cependant à notre disposition pour comprendre les propriétés physiques des objets associés. Une technique qui se base sur de la physique bien comprise et qui a été largement appliquée au milieu interstellaire local est l'étude de l'hydrogène moléculaire. Les propriétés radiatives et collisionnelles spécifiques de cette molécule en font une sonde très sensible aux conditions physiques du gaz.Dans cette thèse, j'étudie la présence d'hydrogène moléculaire dans le milieu interstellaire à grand décalage spectral en m'appuyant sur un échantillon unique de systèmes Lorentziens Lyman-alpha observés à grand rapport signal-à-bruit et haute résolution spectrale. Je présente des travaux dont l'objectif est de comprendre les propriétés et les conditions physiques du gaz neutre associé à ces systèmes (température, densité, composition chimique, fraction moléculaire, contenu en poussières, intensité du champ de radiation incident). J'effectue en parallèle une recherche systématique et une étude statistique des systèmes Lorentziens afin de mesurer le contenu en gaz neutre de l'Univers, caractériser sa distribution et son évolution au cours du temps et contraindre ainsi la formation des galaxies.Je montre enfin la possibilité de détecter et d'étudier d'autres molécules telles que l'hydrogène moléculaire deutéré et le monoxyde de carbone dans le milieu interstellaire à grand décalage spectral. Les outils d'analyse automatique de spectres développés dans cette thèse ont conduit à la première détection de CO dans un tel milieu, ouvrant la voie à l'astrochimie du milieu interstellaire dans l'Univers lointain.