Les forêts Lyman alpha du relevé eBOSS : comprendre les fonctions de corrélation et les systématiques

The Lyman alpha forest from the eBOSS survey : understanding the correlation functions and the systematics

• Auteur / Autrice : Thomas Etourneau
• Direction : Jean-Marc Le Goff
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astroparticules et cosmologie
• Date : Soutenance le 24/09/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulat
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département de physique des particules (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Jury : Président / Présidente : Mohammed Reza Ansari Foumani
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Matthew Pieri, Delphine Hardin, Andreu Font-Ribera
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Matthew Pieri, Delphine Hardin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oscillations baryoniques acoustiques

Mésons

Cosmologie

Énergie sombre (astronomie)

Mots clés libres

Cosmologie

Relevé à grand redshift

Énergie noire

Forêts Lyman-α

Mocks

Champs aléatoires gaussiens

Cosmology

High-redshift survey

Dark energy

Lyman-α forest

Mock data sets

Gaussian random fields

Résumé

Cette thèse s’inscrit dans le cadre des projets eBOSS et DESI. Ces projets utilisent, entreautres, l’absorption Lyman-α (Lyα) afin de sonder la répartition de matière dans l’univers et ainsi mesurer l’échelle des oscillations acoustiques de baryon (BAO). La mesure du rapport de la taille de l’échelle BAO et de la taille de l’horizon acoustique lors du découplage des baryons et des photons permet de contraindre l’expansion de l’univers, et donc les paramètres de l’équation d’état de l’énergie noire. Cette thèse présente le développement de simulations (ou pseudo-données, ou mocks) à partir de champs aléatoires gaussiens (GRF) utilisées afin de tester les analyses BAO des groupes Lyα de eBOSS et DESI. Les GRF permettent de générer un champ de densité δ. A partir de ce champ de densité, les positions des quasars (QSO) sont tirées, puis à partir de chaque quasar, les lignes de visées sont constituées. Le champ de densité δ est interpolé le long de ces lignes de visées. Enfin, à l’aide de l’approximation FGPA (Fluctuating Gunn Peterson Approximation), la densité interpolée est transformée en profondeur optique τ , puis en absorption Lyα. Grâce à un programme développé par la communauté de DESI, un continuum est ajouté aux forêts Lyα afin de créer des spectres de quasars synthétiques. Les mocks présentées dans ce manuscrit fournissent donc un relevé de quasars dont les forêts Lyα présentes dans les spectres possèdent les bonnes fonctions d’auto-corrélation Lyα×Lyα, de corrélation croisée Lyα×QSO, ainsi que d’auto-corrélationQSO×QSO et HCD×HCD (High Column Density systems).L’étude de ces mocks permet de montrer quel’analyse BAO menée sur l’ensemble des données Lyα du relevé eBOSS produit une mesure non biaisée des paramètres BAO αk et α⊥. Par ailleurs, une étude approfondie du modèle utilisé pour ajuster les fonctions de corrélation montre que la forme de la fonction d’auto-corrélation Lyα×Lyα, c’est à dire les mesures du biais bLyα et du paramètre RSD (Redshift Space Distorsions) βLyα, est comprise à environ 20 % près. Les systématiques qui affectent les mesures des paramètres Lyα (bLyα et βLyα) sont issues de deux effets. Le premier effet provient de la matrice de distorsion qui ne capture pas l’intégralité des distorsions produites par l’ajustement du continuum des quasars. Le second effet est lié à la modélisation des HCD. La modélisation de ces absorbeurs denses n’est pas parfaite et affecte la mesure des paramètres Lyα, en particulier le paramètre RSD βLyα. L’analyse de ces mocks permet donc de valider un bon contrôle des systématiques pour les analyses BAO avec le Lyα. Cependant, une meilleure compréhension des mesures des paramètres Lyα est nécessaire afin d’envisager une analyse RSD à l’aide de la combinaison de l’auto-corrélation Lyα×Lyα et de la corrélation croisée Lyα×QSO.

This PhD thesis is part of eBOSS and DESI projects. These projects, among other tracers, use the Lyman-α (Lyα) absorption to probe the matter distribution in the universe and measure thebaryon acoustic oscillations (BAO) scale. The measurement of the BAO scale to the sound horizon ratio allows to constrain the universe expansion and so the ΛCDM model, the standard model of cosmology. This thesis presents the development of mock data sets used in order to check the BAO analyses carried out by the Lyα group within the eBOSS and DESI collaborations. These mocks make use of gaussian random fields (GRF). GRF allow to generate a density field δ. From this density field, quasar (QSO) positions are drawn. From each quasar, a line of sight is constructed. Then, the density field δ is interpolated along each line of sight. Finally, the fluctuating Gunn Peterson approximation (FGPA) is used to convert the interpolated density into the optical depth τ , and then into the Lyα absorption. Thanks to a program developed by the DESI community, a continuum is added to each Lyα forest in order to produce quasar synthetic spectra. The mocks presented in the manuscript provide a survey of quasars whose Lyα forests in the quasar spectra have the correct Lyα×Lyα auto-correlation, Lyα×QSO cross-correlation, as well as the correct QSO×QSO and HCD×HCD (High Column Density systems) auto-correlation functions. The study of these mocks shows that the BAO analysis run on the whole Lyα eBOSS data set produces a non-biaised measurement of the BAO parameters αk et α⊥. In addition, the analysis of the model used to fit the correlation functions shows that the shape of the Lyα×Lyα auto-correlation, which is linked to the bias bLyα and redshift space distorsions (RSD) parameter βLyα, are understood up to 80 %. The systematics affecting the measurement of the Lyα parameters (bLyα et βLyα) come from two different effects. The first one originates from thedistortion matrix which does not capture all the distortions produced by the quasar continuum fittingprocedure. The second one is linked to the HCD modelling. The modelling of these strong absorbers is not perfect and affects the measurement of the Lyα parameters, especially the RSD parameter βLyα. Thus, the analysis of these mocks allows to validate the systematic control of the BAO analyses done with the Lyα. However, a better understanding of the measurement of the Lyα parameters is required in order to consider using the Lyα, which means combining the Lyα×Lyα autocorrelation and Lyα×QSO cross-correlation, to do a RSD analysis.