Numerical methods for the prediction of gravitational lensing signal as a probe of the mass content on the Universe

par Céline Gouin

Thèse de doctorat en Astrophysique

Sous la direction de Christophe Pichon et de Raphaël Gavazzi.

Le président du jury était Michael Joyce.

Le jury était composé de Massimo Meneghetti, Dominique Aubert.

Les rapporteurs étaient Oliver Hahn, Geneviève Soucail.

  • Titre traduit

    Méthodes numériques pour prédire le signal d'optique gravitationnelle comme outil pour sonder la matière dans l'Univers


  • Résumé

    Les relevés à venir comme Euclid, LSST et WFIRST vont nous ouvrir la perspective d’étudier l’univers profond. Pour ces grands relevés, l’astigmatisme cosmique correspond à une sonde indispensable pour étudier la nature de l’énergie noire et la matière noire. Compte tenu de la précision attendue par ces observations, nous devons faire des prédictions basées sur des simulations correspondant à l’état de l’art afin de quantifier avec précision la variance, les biais et les dégénérescences potentielles liés aux baryons. Dans ce contexte, ma thèse se focalise sur la construction d’estimateurs précis basés sur les observables de lentillage. La première partie de ma thèse consiste à caractériser la géométrie des grandes structures par astigmatisme cosmique (Gouin et al. 2017). Une décomposition multipolaire du signal est appliquée afin de quantifier la distribution azimutale de la matière noire, centrée sur les amas. Les propriétés statistiques de ces moments sont estimées à partir d’une simulation cosmologique. Les distorsions harmoniques calculées dans le voisinage des amas tracent la structure filamentaire. Un plus grand nombre de filaments semblent connectés aux amas de forte masse. Dans la dernière partie de ma thèse, je synthétise le signal d’astigmatisme cosmique dans le cône de lumière de la simulation Horizon AGN. Pour ce faire, je propage les rayons de lumière le long du cône dans l’approximation des plans de lentillage multiples. L’effet des baryons est significatif dans la statistique du cisaillement aux échelles angulaires inférieures à l’arc-minute. Le signal de cisaillement galaxie-galaxie est comparée aux observations récentes, et semble être en bon accord.


  • Résumé

    Upcoming weak lensing surveys such as Euclid, LSST and WFIRST will provide an unprecedented opportunity to investigate the dark Universe. Through these large scale surveys, gravitational lensing is an indispensable cosmological probe to investigate the dark energy and the dark matter. Due to the new level of accuracy in observations, we must perform cosmological predictions in state-of-art simulations, to precisely quantify its variances, biases and potential degeneracies coming from baryonic physics. In this context, my thesis focuses on the construction of accurate weak lensing observables. The first part of my PhD work characterises the geometry of large-scale structure through weak lensing (Gouin et al. 2017). I relied on multipolar decomposition of weak lensing signal to quantify the azimuthal distribution of dark matter centred on galaxy clusters. The statistical properties of these moments are estimated from a large N-body simulation. The harmonic distortions computed in the vicinity of clusters appear to trace the filamentary structure. Larger number of filaments seem to be connected to high-mass clusters.The detection level of this statistical estimator is estimated. In the last part of my thesis, I mock the weak gravitational lensing signal in the light-cone of the Horizon-AGN simulation (Gouin et al. 2019). To do so, I propagate light-rays along the light-cone in the multiple-lens-plane approximation. The impact of baryons is significant in cosmic shear statistics for angular scales below a few arcmins. In addition, the galaxy-galaxy lensing signal is compared to current observational measurements (Leauthaud et al. 2017), and seems in good agreement.


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