Cosmologie via les observations d'amas de galaxies par effet Sunyaev-Zel'dovich avec NIKA2

Cosmology from Sunyaev-Zel’dovich observations of galaxy clusters with the NIKA2

• Auteur / Autrice : Florian Ruppin
• Direction : Frédéric Mayet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique subatomique et astroparticules
• Date : Soutenance le 27/09/2018
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie (Grenoble ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Salati
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hélène Courtois, Dominique Boutigny, Sophie Maurogordato
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Baptiste Melin, Nabila Aghanim

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fond diffus cosmologique

Astronomie -- Instruments

Galaxies -- Amas

Cosmologie

Mots clés libres

Effet Sunyaev - Zel'dovich

Amas de galaxies

Détecteurs à inductance cinétique

Formation des structures

Milieu intra-Amas

Cosmologie

Sunyaev - Zel'dovich effect

Galaxy clusters

Kinetic Inductance Detectors

Structure formation

Intracluster medium

Cosmology

Résumé

La distribution de masse dans l'Univers telle que tracée par les amas de galaxies constitue une sonde cosmologique puissante. La caractérisation des processus associés à l'origine et à la croissance des grandes structures permet de contraindre des paramètres cosmologiques via l'étude de la distribution des amas en fonction de leur masse et de leur redshift. Cependant, il existe un désaccord statistiquement significatif observé entre les contraintes cosmologiques établies par l'étude des anisotropies primaires du fond diffus cosmologique et celles issues de l'analyse de la distribution des amas de galaxies. Cela pourrait signifier que le modèle standard de la cosmologie est incomplet. L'une des méthodes d'observation des amas de galaxie exploite l'effet Sunyaev-Zel'dovich (SZ) qui permet de contraindre la pression du gaz contenu dans ces derniers. Cette observable peut être directement liée à la masse des amas via une relation d'échelle et un profil de pression. Il est donc essentiel de caractériser précisément ces derniers afin de limiter les potentiels biais et effets systématiques affectant les analyses cosmologiques. Cette thèse présente l'ensemble des travaux réalisés dans cet objectif. Elle porte sur des thématiques allant des observations SZ effectuées avec la caméra NIKA2 installée au télescope de 30 mètres de l’IRAM jusqu'à l'estimation des paramètres cosmologiques en passant par l'analyse des données brutes de NIKA2 et des cartes SZ réalisées.Une part du travail de thèse présenté dans ce document est consacrée à l'étude et l’amélioration des différentes étapes effectuées, depuis les observations d'amas de galaxies au télescope avec la caméra NIKA2 jusqu'à la production de cartes de l'effet SZ. Les procédures développées pour estimer les performances instrumentales de NIKA2 sont détaillées et la chaîne d'analyse utilisée pour réduire les données brutes est présentée.Les travaux réalisés dans cette thèse ont également consisté à caractériser les propriétés thermodynamiques d'amas de galaxies via des analyses jointes combinant les cartes SZ NIKA2 avec des données X mesurées par le satellite XMM-Newton. Nous détaillons les méthodes employées dans le logiciel de traitement des données SZ créé pour le grand programme SZ de NIKA2, la procédure de déprojection non-paramétrique développée pour caractériser le profil de pression des amas de galaxies et les résultats de la première observation SZ avec NIKA2.Les dernières activités présentées sont dédiées aux analyses réalisées afin de quantifier l'impact du grand programme SZ de NIKA2 sur la cosmologie. Nous analysons l'effet des perturbations dynamiques du milieu intra-amas sur la caractérisation du profil de pression avec NIKA2 via l'utilisation d'amas de la simulation numérique MUSIC. Finalement, nous détaillons l'étude permettant d'estimer l'impact d'une variation du profil de pression universel sur l'estimation des paramètres cosmologiques déduite du spectre de puissance de l'effet SZ mesuré par Planck.

The mass distribution in the Universe, as traced by galaxy clusters is a powerful cosmological probe. The characterization of the processes associated with the origin and the growth of the large scale structures enables constraining cosmological parameters by studying the distribution of clusters according to their mass and redshift. However, a tension is observed between the cosmological constraints established by the study of the primary anisotropies of the cosmological background and those resulting from the analysis of the distribution of galaxy clusters. This may imply that our cosmological model is incomplete. The observation of clusters from the Sunyaev-Zel'dovich (SZ) effect allows us to constrain their gas pressure. This observable can be directly linked to the mass of galaxy clusters via a scaling relation and a pressure profile. It is thus essential to characterize the latter precisely in order to limit the potential bias and systematic effects affecting cosmological analyses. This thesis presents the work carried out to this end. It covers topics ranging from SZ observations made with the NIKA2 camera installed at the IRAM 30-metre telescope to the estimation of cosmological parameters, and including the analysis of NIKA2 raw data and the SZ maps produced.Part of the thesis work presented in this document is dedicated to the study and the improvement of the different tasks carried out, from the observations of galaxy clusters with the NIKA2 camera to the production of maps of the SZ effect. The procedures developed to estimate the NIKA2 instrumental performance are detailed and the analysis pipeline used to analyze the raw data is presented.The work carried out in this thesis also consisted in characterizing the thermodynamic properties of galaxy clusters using joint analyzes that combine the NIKA2 SZ maps with X-ray data measured by the XMM-Newton satellite. We detail the methods used in the SZ data processing software created for the NIKA2 SZ large program, the non-parametric deprojection procedure developed to characterize the pressure profile of galaxy clusters and the results of the first SZ observation with NIKA2.The last activities presented are dedicated to the analyses carried out to quantify the impact of the NIKA2 SZ large program on cosmology. We analyze the effect of dynamic disturbances of the intracluster medium on the characterization of the pressure profile with NIKA2 via the use of clusters from the MUSIC N-body simulation. Finally, we detail the study realized in order to estimate the impact of a modification of the universal pressure profile on the estimation of cosmological parameters derived from the power spectrum of the SZ effect measured by Planck.