Cosmologie observationnelle avec le satellite Planck : étude d'effets systématiques de l'instrument HFI et de l'ionisation de l'univers

par Lilian Sanselme

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Cécile Renault.

Soutenue le 20-09-2013

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Richard Taillet.

Le jury était composé de Nabila Aghanim, Emmanuel Gangler.

Les rapporteurs étaient Delphine Hardin, Olivier Perdereau.


  • Résumé

    Le satellite Planck a été conçu pour mesurer de manière ultime les anisotropies primairesen température du fond diffus cosmologique (CMB), et améliorer les contraintes existantes sursa polarisation. La première partie de cette thèse s’inscrit dans le cadre du traitement des donnéesde l’instrument à haute fréquence de ce satellite. Les propriété statistiques du bruit sonttestée. Des effets systématiques dans l’estimateur du bruit sont ainsi détectés, et certains ontpu être corrigés. La sélection des données à projeter sur les cartes est ensuite présentée, ainsique la validation de la qualité de ces données. Cette sélection est finalement comparée à unesélection pour laquelle les critères sont beaucoup plus sévères, afin de vérifier que l’impactdes données imparfaites résiduelles est négligeable. Nous montrons que les données validéespour une utilisation scientifique répondent bien aux exigences de gaussianité et de stationnarité: des effets instrumentaux ne devraient pas induire de fausses conclusions cosmologiques.La seconde partie porte sur l’interprétation des données ainsi obtenues. Le modèle de concordanceest présenté, ainsi que les résultats rendus publiques par la collaboration Planck en 2013.La troisième partie est dédiée à deux études phénoménologiques concernant l’ionisation del’Univers. Premièrement, l’influence de l’annihilation de matière noire sur le spectre du CMBest étudiée : une méthode pour estimer l’impact de l’incertitude des canaux par lesquels sefont ces dépôts d’énergie est développée. Il ressort que les hypothèses sur la façon exacte dontl’énergie s’injecte dans le plasma ne sont pas cruciales pour retrouver les paramètres associée àl’annihilation. Deuxièmement, l’époque de la Réionisation et son rôle dans le spectre du CMBest présentée, avec l’analyse d’une paramétrisation de la fraction d’ionisation. Nous montronsla fiabilité des différents algorithmes dans le cas où la fraction d’ionisation est constante parmorceaux, c’est-à-dire même en présence de fortes discontinuités.

  • Titre traduit

    Observational cosmology with the Planck satellite : study of some systematic effects of the HFI instrument and of the ionisation of the Universe.


  • Résumé

    The Planck satellite was designed to perform the ultimate measurement of the primary fluctuationsof the cosmic microwave background (CMB), and to improve on the existing polarizationconstraints. In this framework, the first part of this thesis focusses on the data processingof Planck’s high frequency instrument. In particular, the statistical properties of the noise havebeen tested. This has allowed us to identify systematic effects in the noise estimator, amongwhich some have been corrected. The selection of the data to be projected on the maps, alongwith its quality validation, are then presented. Comparing this selection to a case where the criteriaare much more severe, we conclude that any residual imperfections in the selected dataare negligible.We also show that the data validated for scientific use meet the requirements ofgaussianity and stationarity : instrumental effects will not influence cosmological conclusions.The second part of this document deals with the scientific interpretation of these data. Theconcordance model is presented along with the main 2013 results released by the Planck collaboration.Finally, the third part is dedicated to two phenomenological studies of the ionizationof the Universe. First, the influence of dark matter annihilation on the CMB spectrum is investigated: we develop a method to measure the impact of uncertainties in the thermodynamicalprocesses at play and conclude that the parameters associated to dark matter annihilation arenot strongly dependent on the underlying hypotheses used to model the energy deposition inthe plasma. Second, the epoch of reionization and its role on the CMB spectrum is presented,along with an analysis of the parametrization of the ionization fraction.We show the reliabilityof different algorithms in the case where the ionization fraction is piecewise-constant, i.e. evenin the presence of strong discontinuities.


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