Statistics of the CMB polarised anisotropies : unveiling the primordial universe

par Agnès Ferté

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Julien Grain.

Soutenue le 26-09-2014

à Paris 11 , dans le cadre de Ecole doctorale Particules, Noyaux, Cosmos (2009-2015 ; Paris) , en partenariat avec Institut d'astrophysique spatiale (Orsay, Essonne) (laboratoire) .

Le président du jury était Ken Ganga.

Le jury était composé de Julien Grain, Ken Ganga, Julien Lesgourgues, Jean-Christophe Hamilton, Jean-Loup Puget, Martin Kunz.

Les rapporteurs étaient Julien Lesgourgues, Jean-Christophe Hamilton.

  • Titre traduit

    Statistique des anisotropies polarisées du fond diffus cosmologique : dévoiler l'univers primordial


  • Résumé

    La compréhension des premiers instants de notre Univers complèterait notre description de son histoire et permettrait également une exploration de la physique fondamentale à des échelles d'énergie jusque là inatteignables. L'inflation cosmique est le scénario privilégié pour décrire ces premiers instants car il s'intègre très bien dans le modèle standard de la cosmologie. Selon ce scénario l'Univers aurait connu une courte période d'expansion accélérée peu après le Big Bang. Quelques indices favorisent ce modèle cependant toujours en attente d'une signature observationnelle décisive. Les modes B du fond diffus comologique (FDC) aux grandes échelles angulaires sont générés par les ondes gravitationnelles primordiales, produites durant l'inflation cosmique. Dans ce cadre, la détection des modes B primordiaux est le but de nombreuses expériences, actuelles ou à venir. Cependant, des effets astrophysiques et instrumentaux rendent sa détection difficile. Plus précisément, une couverture incomplète de la polarisation du FDC (inhérente à toute observation du FDC) entraine la fuite des modes E dans B, un problème majeur dans l'estimation des modes B. Cet effet peut empêcher une détection des modes B même à partir de cartes parfaitement nettoyées, car les modes E fuyant (beaucoup plus intenses) masquent les modes B. Diverses méthodes offrant une estimation de modes B théoriquement non affectés par cette fuite, ont été récemment proposées dans la littérature. Cependant, lorsqu'elles sont appliquées à des expériences réalistes, elles ne corrigent plus exactement cette fuite. Ces méthodes doivent donc être validées dans le cadre d'expériences réalistes. Dans ce but, j'ai travaillé sur l'implémentation et le développement numérique de trois méthodes typiques de pseudospectres. Ensuite, je les ai testé dans le cas de deux expériences fiducielles, typiques d'une expérience suborbitale et d'une potentielle mission satellite. J'ai alors montré l'efficacité et la nécessité d'une méthode en particulier: la méthode dite pure. J'ai également montré que le cas d'une couverture quasi complète du ciel n'est pas trivial, à cause des contours compliqués du masque galactique et des points sources. Par conséquent, une estimation optimale de pseudospectre des modes B exige l'utilisation d'une telle méthode également dans le contexte d'une mission satellite. Grâce à cette méthode, j'ai fait des prévisions réalistes sur les contraintes qu'une détection de la polarisation du FDC pourra apporter sur la physique de l'Univers primordial. J'ai tout d'abord étudié la détectabilité du rapport tenseur-sur-scalaire r qui quantifie l'amplitude des ondes gravitationnelles primordiales, directement relié à l'échelle d'énergie de l'inflation, dans le cas de différentes expériences dédiées à la détection de la polarisation du FDC. J'ai montré qu'une mission satellite nous permettrait de mesurer un rapport tenseur-sur-scalaire de l'ordre de 0.001, autorisant une distinction entre les modèles d'inflation à champ fort et faible. De plus, dans le cas d'une extension du modèle standard de la cosmologie, des corrélations EB et TB du FDC peuvent être générées. En particulier, j'ai prévu les contraintes que nous pourrons mettre sur une violation de parité durant l'univers primordial à partir d'observations sur une grande ou une petite partie du ciel. Mes résultats ont montré qu'une expérience satellite est nécessaire pour mettre des contraintes sur une gamme de modèles de violation de parité. J'ai finalement abordé la problématique de la détectabilité d'une signature observationnelle d'un champ magnétique primordial.


  • Résumé

    A deep understanding of the first instants of the Universe would not only complete our description of the cosmic history but also enable an exploration of new fundamental phsyics at energy scales unexplored on Earth laboratories and colliders. The most favoured scenario which describes these first instants is the cosmic inflation, an ephemeral period of accelerated expansion shortly after the big bang. Some hints are in favour of this scenario which is however still waiting for a smoking-gun observational signature. The cosmic microwave background (CMB) B modes would be generated at large angular scales by primordial gravitational waves produced during the cosmic inflation. In this frame, the primordial CMB B modes are the aim of various ongoing or being-deployed experiments, as well as being-planned satellite mission. However, unavoidable instrumental and astrophysical features makes its detection difficult. More specifically, a partial sky coverage of the CMB polarisation (inherent to any CMB measurements) leads to the E-to-B leakage, a major issue on the estimation of the CMB B modes power spectrum. This effect can prevent from a detection of the primordial B modes even if the polarisation maps are perfectly cleaned, since the (much more intense) leaked E-modes mask the B-modes. Various methods have been proposed in the literature offering a B modes estimation theoretically free from any leakage. However, when applied to real data, they are no longer completely leakage-free and remove part of the information on B-modes. These methods consequently need to be validate in the frame of real data analysis. In this purpose, I have worked on the implementation and numerical developments of three typical pseudospectrum methods. Afterwards, I have tested each of them in the case of two fiducial experimental set ups, typical of current balloon-borne or ground based experiments and of potential satellite mission. I have therefore stated on the efficiency and necessity of one of them: the so-called pure method. I have also shown that the case of nearly full sky coverage is not trivial because of the intricate shape of the contours of the point-sources and galactic mask. As a result this method is also required for an optimal B modes pseudospectrum estimation in the context of a satellite mission. With this powerful method, I performed realistic forecasts on the constraints that a CMB polarisation detection could set on the physics of the primordial universe. First of all, I have studied the detectability of the tensor-to-scalar ratio r, amounting the amplitude of primordial gravity waves and directly related to the energy scale of inflation, in the case of current suborbital experiments, a potential array of telescopes and a potential satellite mission. I have shown that a satellite-like experiment dedicated to the CMB polarisation detection will enable us to measure a tensor-to-scalar ratio of about 0.001, thus allowing for distinguishing between large and small field models of inflation. Moreover, in extension of the standard model of cosmology, the CMB EB and TB correlations can be generated. In particular, I have forecast the constraints that one could set on a parity violation in the gravitational waves during the primordial universe from observations on a small and a large part of the sky. Our results have shown that a satellite-like experiment is mandatory to set constraints on a range of parity violation models. I finally address the problematic of the detectability of observational signature of a primordial magnetic field.


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