Dévoiler l'histoire des structures cosmiques avec les anisotropies en polarisation du fond diffus cosmologique

par Nadège Lemarchand

Projet de thèse en Astronomie et Astrophysique

Sous la direction de Julien Grain.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine) , en partenariat avec IAS - Institut d'Astrophysique Spatiale (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2016 .


  • Résumé

    Les anisotropies du fond diffus cosmologique (CMB) en température et en polarisation sont des observables clés pour déterminer des contraintes serrées sur l'histoire cosmique, de ses âges primaires (par exemple l'inflation) à son histoire plus récente (par exemple la réionisation). Les mesures effectuées par le satellite Planck ont ​​conduit à une caractérisation ultime de ses anisotropies en température, et conduira à la meilleure mesure à ce jour du mode E de polarisation à grandes et moyennes échelles angulaires. Cependant, deux propriétés clés du CMB sont encore à découvrir et à caractériser. Tout d'abord, la composante primordiale du mode B des anisotropies en polarisation n'a pas encore été détectée. Elle domine à grandes échelles angulaires et ouvre une fenêtre directe sur l'échelle énergétique de l'inflation. Une caractérisation précise du mode B des anisotropies en polarisation à petites échelles angulaires apporterait également des informations supplémentaires sur les structures à grande échelle dans l'Univers telles que les amas de galaxies. Un certain nombre d'expériences basées au sol sont en train de prendre des données en mettant l'accent sur des échelles angulaires intermédiaires et petites, et (au moins) deux missions satellites, LiteBird et PIXIE, seront proposées pour voler dans la prochaine décennie, avec un accent particulier sur le mode B primordial à grandes échelles angulaires. Deuxièmement, les distorsions spectrales du CMB bien que étroitement contraintes grâce à COBE / FIRAS, doivent encore être détectées et mesurées de manière à révéler l'histoire de l'injection d'énergie au cours des différentes époques cosmiques. A cet égard, une mission du satellite (PIXIE) sera proposée pour effectuer une telle mesure, en plus de la mesure du mode B. Le projet que nous proposons se concentre principalement sur les anisotropies du mode B, avec une ouverture potentielle vers des aspects spectraux. L'objectif est de préparer l'interprétation scientifique des futures observations du CMB par la modélisation de phénomènes cosmologiques qui ont une incidence sur les anisotropies en polarisation du CMB, puis d'évaluer les performances projetées des expériences pour mettre des contraintes sur ces phénomènes à travers les observations du mode B. Du point de vue expérimental, le projet se concentre principalement sur des expériences terrestres en cours et prévues, et une mission satellite de type PIXIE. La stratégie d'observation actuelle est de combiner les données d'expériences basées au sol aux petites échelles angulaires avec des données à grandes échelles angulaires obtenues à partir d'une (potentielle) mission satellite. Dans ce contexte, il est important que le doctorant soit confronté à la fois à la physique du CMB aux petites et aux grandes échelles. La première partie consistera à modéliser. Le doctorant étudiera l'utilisation potentielle des anisotropies du mode B pour sonder les amas de galaxies en modélisant l'impact des amas magnétisés sur les anisotropies du CMB, compte tenu de la rotation de Faraday et / ou des effets d'écrantage. (Selon l'intérêt de l'étudiant, elle / il sera encouragé à étudier également l'impact des amas sur le CMB par des mesures de distorsions spectrales.) Le projet adresse également des aspects de la physique de l'Univers primordial en se concentrant sur l'inflation anisotrope. La théorie de l'inflation et la production de perturbations cosmologiques dans un fond anisotrope a été essentiellement établie. Le doctorant prédira comment cela influe sur les propriétés statistiques des anisotropies en polarisation du CMB. Ici, non seulement les spectres de puissance angulaire seront considérés, mais aussi les corrélations croisées entre les différents coefficients multipolaires. Dans cette étape, l'étudiant sera encouragé à développer des outils numériques pour la modélisation, prêts à être utilisés pour l'interprétation des données CMB à venir. Dans une deuxième étape, les performances projetées d'une expérience de type PIXIE et d'expériences au sol dans la mise de contraintes sur l'inflation anisotrope et sur les amas de galaxies seront considérés. Le doctorant sera invité à faire usage de l'analyse des données / des outils Monte-Carlo, qui ont été développés pour la reconstruction du mode B. À cet égard, une partie du projet est également dans le domaine de l'analyse des données CMB.

  • Titre traduit

    Unveiling cosmic structures history with the polarized anisotropies of the cosmic microwave background


  • Résumé

    The temperature and polarized anisotropies of the Cosmic Microwave Background (CMB) are key observables to set tight constraints on the cosmic history, from its primary ages (e.g. inflation) to its more recent history (e.g. reionization). Measurements by the Planck satellite have lead to an ultimate characterization of its temperature anisotropies, and will lead to the best measurement to date of the E-mode of the polarization at large and intermediate angular scales. However, two key properties of the CMB are still to be discovered and characterized. First, the primordial component of the polarized B-mode anisotropies is not detected yet. It dominates at large angular scales and opens a direct window on the energy scale of inflation. A precise characterization of the polarized B-mode anisotropies at small angular scales would also bring additional information on large scale structures in the Universe such as clusters of galaxies. A number of ground based experiments are currently taking data focusing on intermediate and small angular scales, and (at least) two satellite missions, LiteBIRD and PIXIE, will be proposed to fly in the next decade with a special focus on the primordial B-mode at large angular scales. Second, spectral distortions of the CMB though tightly constrained thanks to COBE/FIRAS, are still to be detected and measured so as to reveal the history of energy injection during different cosmic eras. In this respect, a satellite mission (PIXIE) will be proposed to perform such a measurement in addition to the measurement of the B-mode. The project we propose focuses mainly on the B-mode anisotropies, with a potential openning towards spectral aspects. The objective is to prepare the scientific interpretation of future CMB observations by modelling cosmological phenomena that impact on the CMB polarized anisotropies, and then assessing the projected performances of experiments to set constraints on these phenomena through observations of the B-mode. From the experimental viewpoint, the project is mainly focused on ongoing and planned ground-based experiments, and a PIXIE-like satellite mission. The current observational strategy is to combine ground-based experiments data at small angular scales with data at large angular scales as obtained from a (potential) satellite mission. In this context, it is important for the Ph.D. student to be confronted to both the small scales and the large scales physics of the CMB. The first part will consist in modelling. The Ph.D. student will investigate the potential use of B-mode anisotropies to probe clusters of galaxies by modelling the impact of magnetized clusters on CMB anisotropies, considering Faraday rotation and/or screening effects. (Depending on the interest of the Ph.D. student, she/he will be encouraged to also investigate the impact of clusters on the CMB through spectral distortions measurements.) The project also adresses aspects of the physics of the primordial Universe focusing on anisotropic inflation. The theory of inflation and the production of cosmological perturbations in an anisotropic background has been essentially settled. The Ph.D. student will predict how this impacts on the statistical properties of the polarized CMB anisotropies. Here not only angular power spectra will be considered, but also cross-correlations between different multipole coefficients. In this step, the Ph.D. student will be encouraged to develop numerical tools for modelling ready to be used for the interpretation of forthcoming CMB data. In a second step, the projected performances of a PIXIE-like experiment, and of ground-based experiments in setting constraints on anisotropic inflation and galaxy clusters will be considered. The Ph.D. student will be invited to make use of data analysis/Monte-Carlo tools which have been developed for reconstructing the B-mode. In that respect, part of the project is also in the field of CMB data analysis.