Thèse soutenue

Contraindre la biréfringence cosmique isotrope avec la polarisation du fond diffus cosmologique en présence d'avant-plans galactiques et d'effets systématiques
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Auteur / Autrice : Baptiste Jost
Direction : Radek Stompor
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique de l'univers
Date : Soutenance le 16/12/2022
Etablissement(s) : Université Paris Cité
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AstroParticule et Cosmologie (Paris ; 2005-....)
Jury : Président / Présidente : Danièle Steer
Examinateurs / Examinatrices : Radek Stompor, Danièle Steer, Patricio Vielva, Juan-Francisco Macias-Pérez, Mario Zannoni, Sophie Henrot-Versillé
Rapporteurs / Rapporteuses : Patricio Vielva, Juan-Francisco Macias-Pérez

Résumé

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La cosmologie est entrée dans une époque de haute précision et nous sommes aujourd'hui capables de tirer parti de multiples sondes pour avoir une représentation cohérente de l'Univers et de son évolution. En particulier, l'observation du fond diffus cosmologique (ou Cosmic Microwave Background CMB) nous a ouvert une fenêtre sur l'Univers primordial. Sa première observation a confirmé la théorie selon laquelle l'Univers a commencé dans un état très chaud et dense. Depuis, ses mesures de plus en plus précises ont permis de contraindre les paramètres du modèle cosmologique standard et d'explorer la physique de l'Univers primitif. Les anisotropies de la température du CMB ont été bien étudiées et la communauté du CMB se concentre actuellement sur les mesures des anisotropies de la polarisation du CMB. En effet, la mesure des anisotropies des modes B primordiaux permettrait de confirmer la théorie de l'inflation cosmique et donc d'étudier les tout premiers instants de l'Univers et le champ de l'inflaton. De plus, les anisotropies de polarisation sont riches en informations grâce aux effets de lentillage gravitationnel et Sunyaev-Zeldovich par exemple, ce qui nous aide à comprendre l'évolution de l'Univers par la suite. D'autres effets tels que la biréfringence cosmique, qui fait tourner l'angle de polarisation du signal CMB, sont également recherchés car ils pourraient être le signe d'une nouvelle physique, qui nous aiderait par exemple à comprendre la nature de la matière noire. Les anisotropies de polarisation du CMB constituent cependant un signal faible, en particulier la signature laissée par les modes B primordiaux. Pour pouvoir les mesurer, il faut apporter un soin particulier à la conception de l'expérience et à l'estimation des paramètres cosmologiques. Les expériences actuelles et futures utilisent des détecteurs, des éléments optiques, de la cryogénie, etc. à la pointe de la technologie. Tout est conçu pour réduire le bruit autant que possible tout en contrôlant le niveau des effets instrumentaux. Cependant, la faiblesse du signal n'est pas le seul problème, car les avant-plans galactiques polluent le signal du CMB et sont plus grands d'un ordre de grandeur. Pour atténuer leurs effets, des méthodes de séparation des composantes doivent être développées. Dans cette thèse, j'ai développé une méthode permettant d'avoir une estimation non biaisée de l'angle de biréfringence isotrope Beta_b et du rapport tenseur-scalaire r. Pour ce faire, j'ai généralisé une méthode de séparation des composantes paramétriques basée sur des cartes pour estimer conjointement l'angle de polarisation avec l'utilisation d'information issue de la calibration. Cette méthode ne nécessite pas d'hypothèses sur les spectres de puissance angulaire des avant-plans galactiques et en particulier pas sur la corrélation EB. Je me concentre en particulier sur le cas de Simons Observatory (SO), un instrument multifréquence pour l'observation du CMB dont je fais partie. Je montre qu'avec cette nouvelle méthode, et avec une calibration en laboratoire ou sur le terrain, nous sommes capables de récupérer une carte du CMB pour laquelle les avant-plans ont été nettoyés et les effets systématiques corrigés. Nous pouvons ensuite estimer les paramètres cosmologiques à partir de cette carte. Je teste cette méthode avec différents scénarios de bruit, de calibration et d'avant-plans pour m'assurer de sa robustesse. Nous sommes également en mesure de définir les besoins en matière de calibration que ce soit sur sa précision ou sur la stratégie à adopter pour les mesures de Beta_b. J'ai également développé une méthode semi-analytique plus rapide et l'ai testée en utilisant les caractéristiques du futur télescope spatial LiteBIRD.