La reconstruction de cartes de haute fidélité du ciel micro-ondes à partir des données d'expériences multi-kilo pixels pour la cosmologie de haute précision.

Reconstructing high fidelity maps of the microwave sky from multi-kilo pixel experiments data for high-precision cosmology

• Auteur / Autrice : Hamza El Bouhargani
• Direction : Radek Stompor
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'univers
• Date : Soutenance le 12/10/2021
• 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 : Simona Mei
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Simona Mei, Michael Brown, Davide Maino, Joanna Dunkley, Sophie Henrot-Versillé
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michael Brown, Davide Maino

Mots clés

Mots clés contrôlés

Calcul intensif (informatique)

Systèmes linéaires -- Solutions numériques

Traitement du signal -- Techniques numériques

Cartographie -- Informatique

Analyse des données

Fond diffus cosmologique

Cosmologie

Mots clés libres

Cosmologie

Fond diffus cosmologique

Analyse de données

Cartographie

Méthodes numériques

Solveurs de systèmes linéaires

Calcul haute performance

Cosmology

Cosmic Microwave Background

Data analysis

Map-Making

Numerical methods

Linear systems solvers

High performance computing

Résumé

Durant les deux dernières décennies, la cosmologie a été propulsée par de nombreux développements théoriques et expérimentaux lui permettant d'entrer dans l'ère de la haute précision. De nouvelles expériences sont actuellement en cours de préparation pour débuter leurs opérations dans les prochaines années et continuer de pousser les frontières du savoir et améliorer notre compréhension théorique des rouages internes de l'Univers. En particulier, la prochaine génération d'observatoires du fond diffus cosmologique (Cosmic Microwave Background - CMB) permettra la cartographie des anisotropies de température et de polarisation du CMB avec une précision inédite, sur des échelles allant du degré sur le ciel jusqu'aux minutes d'arc. Ces observatoires vont ainsi ouvrir une fenêtre unique sur l'Univers primordial ainsi que sur son évolution récente. Ces mesures contiennent des informations clés sur la nature de la matière noire, l'énergie noire, ainsi que la physique des neutrinos, et pourraient également révéler l'existence des ondes gravitationnelles primordiales, qui seraient générées durant la phase inflationnaire à des énergies proches de l'échelle des théories de grande unification aux premiers instant de l'Univers. Atteindre ces ambitieux objectifs scientifiques nécessite la construction d'expériences d'une complexité exceptionnelle. Les signaux extrêmement faibles qu'on tente de mesurer requièrent de très grandes sensibilités, et donc la collection de volumes énormes de données, ainsi qu'un contrôle précis des effets systématiques. Ceci rend l'analyse et l'exploitation scientifique des données particulièrement difficile sur le plan, à la fois, computationnel et méthodologique. Le travail présenté dans cette thèse se donne pour objectif de s'attaquer à ces problèmes dans les premières étapes de l'analyse où l'on traite tout le volume des données dans le domaine temporel. Je généralise la procédure de cartographie afin de permettre une mitigation efficace de certains des effets systématiques majeurs dans le domaine temporel simultanément avec l'estimation non biaisée des cartes du ciel. J'aborde à la fois les problèmes computationnels et méthodologiques, posés lors du développement d'observatoires du CMB au sol de type "stage-3" comme Simons Array et Simons Observatory, en développant un environnement massivement parallèle testé et validé sur des supercalculateurs à l'état de l'art mondial. L'environnement offre des méthodes robustes pour la résolution du problème de cartographie en cas de présence de nombreux effets systématiques dans le domaine temporel, qui doivent être modélisés avec une précision suffisante pour permettre une mesure robuste des signaux cosmologiques d'intérêt comme les modes-B issus des ondes gravitationnelles produites lors de l'inflation.

In the last two decades, cosmology has been propelled by numerous theoretical and experimental developments allowing it to enter into the high precision era. New experiments are currently being prepared to start operating in the coming years and continue pushing the frontiers of knowledge and improve our theoretical understanding of the inner workings of the Universe. In particular, the next generation of cosmic microwave background (CMB) experiments will enable the mapping of the CMB temperature and polarization anisotropies with unprecedented precision, from the largest degree scale patterns on the sky down to arcminute scales. They will hence open a unique window on both the primordial Universe and its late time evolution. These measurements will encode key insights on the nature of dark matter, dark energy and the physics of neutrinos, and may reveal for the first time the presence of primordial gravitational waves, thought to be generated during the inflationary phase at energies close to the scale of the Grand Unified Theories in the very early Universe. Reaching these ambitious scientific goals entails building experiments with exceptional complexity. The extremely faint signals we are attempting to measure require both very high sensitivities, and hence the collection of huge volumes of data, as well as a precise control of all systematic effects. This makes the scientific exploitation and analysis of the data uniquely challenging from both a computational and methodological point of view. This work focuses on tackling these issues in the early stages of the analysis where we deal with the full size of the time-domain data. I generalize the map-making procedure, to allow for efficient mitigation of some of the major time-domain systematic effects concurrently with the unbiased estimation of sky maps. I address both computational and methodological challenges, in the context of stage-3 CMB ground experiments such as Simons Array and the Simons Observatory, developing a massively parallel framework tested and validated on state-of-the-art supercomputing architectures. The framework provides robust methods to solve the map-making problem in the presence of numerous time-domain systematic effects, which need to be modeled with sufficient accuracy for a robust measurement of cosmological signals of interest such as B-modes from inflationary gravitational waves.