Extraction des paramètres cosmologiques et des propriétés de l'énergie noire

par Sebastian Linden

Thèse de doctorat en Physique théorique, Cosmologie

Sous la direction de Jean-Marc Virey.

Soutenue en 2010

à Aix-Marseille 1 , en partenariat avec Université de Provence. Section sciences (autre partenaire) .


  • Résumé

    Avec la découverte étonnante que l'univers se trouve à présent dans une phase d'expansion accélérée, il y a dix ans, la cosmologie entra dans ce que l'on peut nommer l'ère de la cosmologie à haute précision. Les contraintes actuelles indiquent un modèle cosmologique à géométrie plate, où la plus grande partie du contenu en masse-énergie de l'univers est contribuée par une composante inconnue, souvent appelée l'`énergie noire', qui contribue environ soixante-dix pour cent à la densité totale de l'univers. Dans ce modèle, la matière baryonique ordinaire et la radiation ne contribuent qu'environ cinq pour cent, et la matière noire contribue vingt-cinq pour cent. Les propriétés mesurées de l'énergie noire étant consistant avec celles d'une Constante Cosmologique, Lambda, ce modèle standard cosmologique est connu sous le nom du modèle `Lambda-Cold-Dark-Matter' (`LCDM'). Malgré son succes, ce modèle souffre de plusieurs problèmes. L'existence d'une Constante Cosmologique soulève des problèmes fondamentaux concernant sa nature physique, et beaucoup d'auteurs traitent le `problème de coîncidence'. Des essais de la décrire comme la contribution du vide quantique faillissent quantitativement. En conséquent, un grand nombre de modèles alternatifs a été développé, qui tentent décrire la composante d'énergie noire: des loi modifiés de la gravitation, de dimensions supplémentaires, les modèles de Quintessence. Aussi, des effets astrophysiques qui miment une expansion accélérée ont été considérés. Dans ce manuscrit, on expose les bases théoriques et observationneles du modèle ACDM et les divers approches théoriques à expliquer l'énergie noire. Un autre problème du modèle standard provient de la dépéndance des résultats de l'analyse des données sur des hypothèses qui sont présentes dans les analyses pour l'extraction des paramètres. Il s'agit des hypothèses sur la physique, mais aussi des dépéndances des paramétrages notamment des proprie����tés de l'énergie noire. Aujourd'hui, des analyses combinées de divers sondes cosmologiques sont effectuées afin d'extraire les paramètres du modèle, dont le nombre peut s'élever jusqu'à vingt, dépendant des suppositions de modèle. De différentes hypothèses (géométrie plate, équation d'état de l'énergie noire constante, hypothèses sur la physique du CMB comme la vitesse du son ou le spectre de puissance initial,. . . ) sont appliquées, qui peuvent dangereusement biaiser les résultat de l'analyse. La présence d'une mauvaise hypothèse, où une application d'un paramétrage non-approprié de la physique, pourra entraîner qu'on mesure à haute précision quelque chose qui n'est pas là. Nous montrons que, dû à la haute précision des mesures cosmologiques modernes, des approches purement cinématiques à la cosmologie ne permettent plus d'extraire des résultats fiables sur l'expansion de l'univers. Dans l'analyse des données cosmologiques on doit par conséquent se servir de la relation (exacte) intégrale pour les distances cosmologiques. Nous discutons le problème de dégénéréscence analytique entre les paramètres cosmologiques qu'introduit l'utilisation de cette relation. Puis, les résultats principaux de ce travail sont présentés. Ils concernent notamment la validité du paramétrage de l'équation d'état de l'énergie noire de Chevallier, Polarski, et Linder, et les éffets d'une évolution en redshift des magnitudes apparentes des Supernovae du type Ia.

  • Titre traduit

    Determination of the cosmological parameters and the nature of dark energy : sous-titre


  • Pas de résumé disponible.


  • Résumé

    With the unexpected discovery of the presently accelerated expansion of the universe, one decade ago, modern cosmology entered what one could call the era of `high precision cosmology'. The current observational constraints indicate a world model of a flat geometry, where most of the current universe's energy content is made up by an unknown component, often depicted `dark energy', contributing about seventy percent. In this model, ordinary baryonic matter and radiation contribute only roughly five percent, and dark matter accounts for about twenty-five percent. The measured properties of the dark energy component being consistent with a Cosmological Constant, Lambda, this cosmological standard model is referred to as the `Lambda-Cold-Dark-Matter' (`LCDM') model. Despite its overall success, this model suffers from various problems. The existence of a Cosmological Constant raises fundamental questions about the theoretical explanation of its physical nature, and some authors also discuss the coincidence problem (`why now?'). Attempts to describe it as the energy contribution from the vaccum as following from Quantum Field Theory failed quantitatively. In consequence, a large number of alternative models have been developped to describe the dark energy component: modified gravity, additional dimensions, Quintessence models. Also, astrophysical effects have been considered to mimick an accelerated expansion. The basics of the LCDM model and the various attempts of explaining dark energy are outlined in this thesis. Another major problem of the model comes from the dependencies of the fit results on a number of a priori assumptions and parameterization effects. Today, combined analysises of the various cosmological probes are performed to extract the parameters of the model, which can be as many as up to twenty, depending on the model. Different model assumptions (flat geometry, constant dark energy equation of state, assumptions on CMB physics like sound speed and initial power spectrum,. . . ) are being applied, which may dangerously alter the fit results. Due to a wrong model assumption or a bad parameterization of the real physics, one might end up measuring with high precision something which is not there. We show, that indeed due to the high precision of modern cosmological measurements, purely kinematic approaches to distance measurements no longer yield valid fit results except for accidental special cases, and that a fit of the exact (integral) redshift-distance relation is necessary. The arising problem of degeneracy between the principal world-model parameters is discussed. The main results of this work are then presented, concerning the use of the CPL parameterization of dark energy when coping with the dynamics of tracker solutions of Quintessence models, and the risk of introducing biases on the parameters due to the possibly prohibited extrapolation to arbitrary high redshifts of the SN type Ia magnitude calibration relation, which is obtained in the low-redshift regime. Whereas the risks of applying CPL shows up to be small for a wide range of dynamical tracker models, we find classes of SN magnitude evolution that induce substantial risks of misinterpreting the fit results even in a combined analysis of future high precision data.

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Cette thèse a donné lieu à une publication en 2010 par [CCSD] [diffusion/distribution] à Villeurbanne

Extraction des paramètres cosmologiques et des propriétés de l'énergie noire

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Informations

  • Détails : 1 vol. (IX-167 p.)
  • Annexes : Bibliographie p.147-156. Index

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