Ecole Doctorale

Physique et Sciences de la Matière

Spécialité

PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : ASTROPHYSIQUE ET COSMOLOGIE

Etablissement

Aix-Marseille Université

Mots Clés

cosmologie,energie noire,CIB,,

Keywords

CIB,Cosmology,Dark Energy,Sachs Wolfe,

Titre de thèse

Histoire de la réionisation et de l'énergie sombre: du fond diffus cosmologique au fond diffus infrarouge
Reionisation history and Dark Energy from Cosmic Microwave Background to Cosmic Infrared Background

Date

Jeudi 19 Septembre 2019 à 15:00

Adresse

LAM - Laboratoire d’Astrophysique de Marseille Pôle de l’Étoile Site de Château-Gombert 38, rue Frédéric Joliot-Curie 13388 Marseille cedex 13 FRANCE Amphitheatre

Jury

Directeur de these Mme Guilaine LAGACHE Aix Marseille Université
CoDirecteur de these M. Matthieu BéTHERMIN Aix Marseille Université
Rapporteur M. Jean-Loup PUGET CNRS (Université Paris Sud)
Rapporteur M. David SPERGEL Princeton University
Examinateur M. Philip BULL Queen Mary University of London
Examinateur M. Mathieu LANGER Université Paris-Sud

Résumé de la thèse

La CIB est l'émission infrarouge cumulative de toutes les galaxies à travers l'histoire cosmique. Sa dépendance distincte à la fréquence et au décalage vers le rouge permet de sonder un large éventail de décalages vers le rouge. Au cours des dernières années, les anisotropies de la CIB sont devenues un outil cosmologique important comme traceur des grandes structures (LSS). Les anisotropies de la CIB ont également été utilisées pour obtenir des informations sur les processus physiques régissant la formation des étoiles et l'évolution des galaxies. Dans cette thèse, nous utilisons les anisotropies CIB détectées par le satellite Planck : i) Mesurer l'histoire de la formation des étoiles de l'Univers et le biais effectif des halos de matière noire hébergeant les galaxies de type CIB jusqu'à un décalage rouge élevé. En utilisant la mesure de ce biais effectif, nous calculons la masse typique des halos de matière noire de l'hôte à différents moments. Nous montrons également que les paramètres de notre modèle CIB ne changent pas de manière significative avec la cosmologie. Nous utilisons la lentille de corrélation croisée CIB-CMB selon notre probabilité pour améliorer les contraintes sur les paramètres du modèle CIB, ce qui a été fait pour la première fois. ii) Prédire l'effet de l'ISW en établissant une corrélation croisée entre la CIB et le CMB. Les travaux théoriques d'Ilic et al (2011) et de notre équipe ont montré que la CIB, extraite sur une grande partie du ciel, peut fournir les meilleures mesures ISW (en termes de rapport S/N). A l'aide d'un formalisme matriciel de Fisher, nous prédisons l'amélioration des contraintes sur les paramètres cosmologiques en utilisant l'ISW mesuré avec cette technique. Nous croisons les meilleures cartes disponibles de la CIB et de la CMB et constatons que les résidus de poussière galactique dans les cartes de la CIB sont trop élevés pour détecter l'ISW par cette méthode. Nous concluons que des cartes mieux nettoyées de la CIB extraites sur une grande partie du ciel sont nécessaires pour pouvoir utiliser la CIB pour détecter l'ISW. iii) Mesurer le signal kSZ caché dans les données du spectre de puissance CMB. Dans ce projet, nous améliorons l'analyse existante en combinant les mesures CIB (de Planck et Herschel) et les observations multi-fréquences submillimétriques et millimétriques de Planck, SPT et ACT pour étendre la gamme des échelles et fréquences afin de faciliter la mesure kSZ. Nous développons une analyse du spectre de puissance basée sur des modèles de composants de premier plan (CIB, tSZ, tSZ, tSZxCIB) physiquement motivés mais simplistes et cohérents pour séparer avec précision la kSZ du CMB. Des études antérieures ont utilisé une approche fondée sur des modèles pour modéliser les spectres de puissance CIB, tSZ et CIB-tSZ où certains des modèles utilisés n'étaient pas physiquement motivés (p. ex. modèle de loi de puissance pour la CIB utilisé dans les analyses SPT et ACT). Nous remplaçons les modèles de gabarits pour ces avant-plans dans la probabilité de Planck HiLLLiPOP par nos modèles. C'est aussi pour la première fois que ces trois avant-plans sont explicitement variés avec la cosmologie dans ce type d'analyse. Comme mentionné ci-dessus, notre objectif est de détecter les spectres de puissance kSZ à partir des données CMB en utilisant cette approche. Au moment de la rédaction de cette thèse, nous sommes en train de compléter cette analyse et les résultats finaux sont attendus. Le spectre de puissance kSZ détecté sera utilisé pour fournir des contraintes sur le signal de réionisation codé dans la partie patchy de la mesure kSZ. Cela nous aidera à limiter la durée de la réionisation. Un historique suffisamment précis de la réionisation peut être obtenu en combinant différents outils comme l'amplitude kSZ détectée, la profondeur optique aux mesures de réionisation par les données CMB polarisées, les fonctions de luminosité UV à haut décalage rouge, etc.

Thesis resume

The CIB is the cumulative infrared emission from all the galaxies throughout cosmic history. Its distinct frequency-redshift dependence allows to probe a large span of redshifts. In the last few years, anisotropies of the CIB have become an important cosmological tool as a tracer of the large-scale structures (LSS). The CIB anisotropies have also been used to derive information on the physical processes governing the star formation, and galaxy evolution. In this thesis, we utilise the CIB anisotropies detected by the Planck satellite to: i) Measure the star formation history of the Universe and the effective bias of the dark matter halos hosting the CIB type galaxies up to a high redshift. Using the measurement of this effective bias, we calculate the typical mass of the host dark matter halos at different times. We also show that the parameters of our CIB model do not change significantly with cosmology. We use the CIB-CMB lensing cross-correlation in our likelihood to improve the constraints upon the CIB model parameters, which has been done for the first time. ii) Predict the ISW effect by cross-correlating the CIB and CMB. Theoretical work by Ilic et al. (2011) and our team showed that the CIB, extracted on a large fraction of the sky, may provide the best ISW measurements (in terms of S/N ratio). Using a Fisher matrix formalism, we predict the improvement on the constraints on the cosmological parameters using the ISW measured with this technique. We cross-correlate the best available maps of the CIB and the CMB and find that the galactic dust residuals in the CIB maps are too high to detect the ISW through this method. We conclude that better cleaned maps of the CIB extracted over a large portion of the sky are required to be able to use the CIB to detect the ISW. iii) Measure the kSZ signal hidden in the CMB power spectrum data. In this project, we improve upon the existing analysis by combining the CIB measurements (from Planck and Herschel) and multi-frequency sub-millimeter and millimeter observations by Planck, SPT and ACT to extend the range of scales and frequencies to facilitate the kSZ measurement. We develop a power spectrum analysis based on physically motivated but simplistic and consistent models of foreground components (CIB, tSZ, tSZxCIB) to accurately separate the kSZ from the CMB. Previous studies used a template based approach to model the CIB, tSZ, and CIB-tSZ power spectra where some of the templates used were not physically motivated (e.g. power law template for the CIB used in SPT and ACT analysis). We replace the template models for these foregrounds in the Planck HiLLiPOP likelihood with our models. It is also for the first time that these three foregrounds are explicitly varied with cosmology in this type of analysis. As mentioned above, our aim is to detect the kSZ power spectra from the CMB data using this approach. At the time of writing this thesis, we are in the process of completing this analysis and final results are awaited. The detected kSZ power spectrum will be used to provide constraints on the reionization signal encoded in the patchy part of the kSZ measurement. This will help us constrain the duration of reionization. A sufficiently accurate history of the reionization can be obtained by combining different tools like the detected kSZ amplitude, optical depth to reionization measurements by the polarized CMB data, UV luminosity functions at high redshifts etc.