Etude de l'inflation avec les quasars du relevé spectroscopique de DESI

Studying inflation with quasars from the DESI spectroscopic survey

• Auteur / Autrice : Edmond Chaussidon
• Direction : Christophe Yèche
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des Astroparticules et Cosmologie
• Date : Soutenance le 22/09/2023
• 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
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Sophie Henrot-Versillé
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Johan Richard, Benjamin Wandelt, Nathalie Palanque-Delabrouille, Emanuele Castorina
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Johan Richard, Benjamin Wandelt

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cosmologie

Univers inflatoire

Structure à grande échelle (astronomie)

Mots clés libres

Cosmologie

Inflation

Relevé spectroscopique

Structures à grande échelle

DESI

Cosmology

Inflation

Spectroscopic survey

Large Scale Structure

DESI

Résumé

Depuis plusieurs décennies, l'inflation est considérée comme le paradigme principal pour décrire l'Univers primitif. Les théories décrivant l'inflation peuvent être testées et améliorées à partir de la mesure de différentes propriétés telles que l'inclinaison du spectre de puissance scalaire primordial, les ondes gravitationnelles primordiales ou la non-gaussianité primordiale (PNG). En effet, les modèles d'inflation les plus simples (single-field slow roll inflation) prédisent une distribution presque gaussienne des fluctuations primordiales, c'est-à-dire une quantité minimale de PNG alors que les modèles plus complexes comme par exemple l'inflation à champs multiples prédisent des quantités significatives de PNG. Pour contourner la limite de variance cosmique des observations du fond diffus cosmologique qui donne les meilleures contraintes actuelles sur les PNGs, une possibilité serait d'utiliser l'énorme puissance statistique des regroupements de galaxies en 3D, en sondant un grand volume de l'Univers. En particulier, une approche prometteuse consiste à utiliser l'empreinte minuscule laissée à grande échelle sur le spectre de puissance de la matière par la PNG locale, connue sous le nom de biais dépendant de l'échelle. C'est l'approche que nous suivrons dans cette thèse en analysant les 1,2 millions de quasars du relevé spectroscopique de la première année d'observation du Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI). Après avoir donné le cadre théorique permettant d'expliquer les phénomènes mis en jeu, je commencerai par décrire l'échantillon de quasars (QSO) de DESI. En particulier, je présenterai la sélection des cibles QSOs utilisées dans DESI, dont j'ai eu la charge pendant la Survey Validation, phase préliminaire au relevé spectroscopique, ainsi que le pipeline spectroscopique pour collecter le décalage vers le rouge. Cette sélection permet de collecter plus de 200 quasars par degré carré incluant 60 d'entre eux avec redshift (z) plus grand que 2,1, améliorant de plus de 20% les exigences du comité scientifique de DESI. Ensuite je présenterai le traitement des effets observationnels qui pourraient contaminer la mesure des PNGs et la façon de les traiter. Afin d'éviter tout biais de confirmation lors de cette étape de correction, je détaillerai une méthode pour masquer le signal caractéristique des PNGs. Finalement, je donnerai la mesure masquée des PNGs avec les 1,2M de quasars de la première année d'observation ainsi que les contraintes attendues. Avec cette première année d'observation, nous nous attendons d'ores et déjà à une meilleure sensibilité qu'avec le dernier relevé spectroscopique de quasars fourni par l'expérience eBOSS en 2022. Il faudra en revanche attendre le relevé complet de DESI et employer de nouvelles approches afin de pouvoir concurrencer la meilleure mesure actuelle effectuée par le satellite Planck.

For several decades, inflation has been considered the main paradigm for describing the early Universe. The theory describing inflation can be tested and improved by measuring properties such as the tilt of the primordial scalar power spectrum, primordial gravitational waves or primordial non-Gaussianity (PNG). Indeed, the simplest inflation models (single-field slow-roll inflation) predict an almost Gaussian distribution of primordial fluctuations, i.e. a minimal amount of PNG, whereas more complex models such as multi-field inflation predict significant amounts of PNG. To circumvent the cosmic variance limit of cosmic microwave background observations, which give the best current constraints on PNGs, one possibility would be to use the enormous statistical power of 3D galaxy clustering, by probing a large volume of the Universe. In particular, one promising approach is to use the tiny imprint left on the large-scale matter power spectrum by local PNGs, known as the scale-dependent bias. This is the approach we will follow in this thesis, analyzing the 1.2 million quasars in the spectroscopic survey of the first year of observation by the Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI). After providing a theoretical framework to explain the phenomena at play, I will begin by describing the DESI quasar sample (QSO). In particular, I'll present the selection of QSO targets used in DESI, for which I was responsible during Survey Validation, the preliminary phase of the spectroscopic survey, as well as the spectroscopic pipeline for collecting the redshift. This selection enabled us to collect more than 200 quasars per square degree, including 60 with redshift (z) greater than 2.1, improving on the requirements of the DESI scientific committee by more than 20%. Next, I'll present how to deal with observational effects that could contaminate the measurement of PNGs. In order to avoid any confirmation bias during this correction stage, I will detail a method for masking the characteristic PNG signal. Finally, I'll give the masked measurement of PNGs with the 1.2M quasars from the first year of observation, along with the expected constraints. With this first year of observations, we already expect a better sensitivity than with the last spectroscopic survey of quasars provided by the eBOSS experiment in 2022. Nevertheless, we will have to wait for DESI's complete survey, and use a new approach to be competitive with the best measurement currently being made by the Planck satellite.