Recherche des modes B primordiaux en présence de contaminations astrophysiques et d’effets instrumentaux

Searching for cosmological B-modes in the presence of astrophysical contaminants and instrumental effects

• Auteur / Autrice : Clara Vergès
• Direction : Radek Stompor
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'Univers
• Date : Soutenance le 18/09/2020
• 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
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Radek Stompor, Danièle Steer, Nicolas Ponthieu, Sophie Henrot-Versillé, Joanna Dunkley, Tomotake Matsumura
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Ponthieu, Sophie Henrot-Versillé

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse en composantes indépendantes

Fond diffus cosmologique

Cosmologie

Mots clés libres

Cosmologie

Fond diffus cosmologique

Modélisation instrumentale

Séparation de composantes

Cosmology

Cosmic Microwave Background

Instrument model

Component separation

Résumé

La cosmologie a connu un essor considérable au cours des vingt dernières années, et a désormais acquis le statut de science de précision. Les mesures précises des anisotropies de température du fond diffus cosmologique (Cosmic Microwave Background - CMB) ont ouvert une fenêtre sans précédent sur l'Univers primordial, tandis que les mesures des anisotropies de polarisation du CMB ont confirmé notre compréhension de la physique de l'Univers primordial. Ces différents résultats ont notamment permis de vérifier la cohérence et de tester la validité des modèles actuels. La prochaine étape dans l'observation du CMB est la cartographie précise des anisotropies de polarisation, et en particulier la détection d'une signature spécifique dans ce même signal, les modes B primordiaux. Ces observations nous permettront de pousser toujours plus loin notre connaissance de l'Univers et de ses secrets les mieux gardés, en particulier l'énergie noire, la matière noire et l'inflation.Cette détection est cependant particulièrement difficile, car le signal recherché est très faible, et écranté par plusieurs sources de contamination galactiques et extra-galactiques : émission polarisée de la poussière, rayonnement synchrotron ou encore effet de lentillage gravitationnel faible, pour n'en citer que quelques-unes. La prochaine génération d'expériences d'observation de la polarisation du CMB doit donc non seulement atteindre une sensibilité instrumentale brute sans précédent, mais également être capable de distinguer le signal de ces contaminations. Cela nécessite des capacités de détection améliorées, de nouvelles technologies, ainsi que de nouvelles méthodes d'analyse des données. L'objectif du travail présenté dans cette thèse est d'évaluer, pour certains effets, si cette complexité accrue des expériences d'observation du CMB conduira effectivement à de meilleures performances, et à quel coût en ce qui concerne le contrôle des effets systématiques. Je développe de nouveaux modèles de données prenant en compte divers paramètres instrumentaux pour assurer une meilleure modélisation des effets systématiques pour la nouvelle génération d'expériences de mesure de la polarisation du CMB: POLARBEAR/Simons Array et Simons Observatory. Pour préparer ces futures expériences, je propose une extension des méthodes de séparation de composantes afin de prendre en compte les effets systématiques instrumentaux. Je démontre également les possibilités de ce nouvel outil pour prévoir les performances des futures expériences, et aider à l'établissement des stratégies de calibration afin d'atteindre les performances requises.

Cosmology has known a considerable surge in the past twenty years and is now well established as a precision science. Accurate measurements of temperature anisotropies of the Cosmic Microwave Background (CMB) opened an unprecedented window on the primordial Universe. Furthermore, the existing measurements of CMB polarisation anisotropies have confirmed our understanding of early universe physics, and provided important consistency tests of the currently popular models. The next frontier in CMB science is the precise mapping of polarisation anisotropies, and the detection of a specific signature in the polarisation signal, the primordial B-modes. These observations will allow us to push further our knowledge of the Universe and its best-kept secrets, such as dark energy, dark matter and inflation.This detection is particularly challenging, as the signal we look for is very low, and shadowed by various sources of galactic and extra-galactic contamination: polarised dust, synchrotron radiation and weak gravitational lensing - to name a few. The next generation of CMB polarisation experiments therefore needs not only to reach an unprecedented raw instrumental sensitivity, but also to be able to distinguish the signal from these contaminations. This calls for enhanced detection capabilities, new technologies, as well as novel data analysis methods. This work focuses on understanding whether this increased complexity of CMB experiments will effectively lead to better performances, and at which cost regarding the control of systematic effects. I develop new, involved data models taking into account various instrumental parameters to ensure a better modelling of instrumental systematic effects, in the context of new generation CMB polarisation experiments - POLARBEAR/Simons Array and the Simons Observatory. To prepare for future experiments, I propose an extension of component separation forecasting framework to take into account instrumental systematic effects. I demonstrate its capabilities as a key tool to forecast the performance of future experiments, and inform calibration strategies to achieve required performance.