Présent et futur des données du fond diffus cosmologique

Towards cosmological parameters with the SPT-3G 19/20 cosmic microwave background data

• Auteur / Autrice : Etienne Camphuis
• Direction : Karim Benabed, Silvia Galli, Eric Hivon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et astrophysique
• Date : Soutenance le 13/09/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'astrophysique de Paris (1936-....)
• Jury : Président / Présidente : François Bouchet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thomas Crawford, Sophie Henrot-Versillé, Valeria Pettorino
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Erminia Calabrese, Olivier Doré

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lentilles gravitationnelles

Anisotropie

Fond diffus cosmologique

Mots clés libres

CMB

Cosmologie

Hubble constant

Analyse de données

Télescope du Pôle Sud

CMB

Cosmologie

Hubble constant

Data analysis

South Pole Telescope

Résumé

Les observations des anisotropies primaires du fond diffus cosmologique (CMB en anglais) sont primordiales dans l’établissement de la cosmologie moderne et offrent une fenêtre unique sur la physique de l’Univers primitif. Cependant, des divergences au sein de la concordance cosmologique, notamment la tension de Hubble, sont mises en avant en comparant avec d’autres sondes cosmologiques. Bien que ces divergences puissent être attribuées à des effets systématiques ou à des fluctuations statistiques, la différence entre les mesures de l’Univers primitif et récent pourrait indiquer de nouveaux principes physiques. De plus, les mesures d’anisotropie de température n’ont pas encore atteint la limite de la variance cosmique à hauts multipôles, tandis que la polarisation du signal contient des informations cosmologiques inexploitées. Ainsi, explorer une gamme complémentaire de multipôles et la polarisation peut mener à des découvertes majeures en physique fondamentale. L’instrument de troisième génération du télescope du pôle sud (SPT-3G en anglais) entreprend précisément cette démarche, visant à fournir des observations de pointe. L’objectif de cette thèse est de présenter une analyse détaillée des données 2019-2020 d’anisotropies primaires de SPT-3G. Le niveau de bruit atteint est de 5μK-arcmin en température à 150GHz. Ainsi, la variance du signal est limité par la variance cosmique sur presque toute la gamme de multipôles du spectre de puissance. Les contraintes prévues sur les paramètres cosmologiques sont comparables à celles de l’expérience Planck, mais proviennent d’un jeu de données indépendant et complémentaire. La combinaison de ces contraintes fournira au moins deux fois la puissance statistique, et des améliorations supplémentaires seront obtenues en intégrant des informations provenant de champs étendus, de mesures de l’effet de lentillage gravitationnelle et d’autres jeu de données CMB, tels que ceux provenant du télescope de cosmologie d’Atacama. Pour garantir l’exactitude et la précision de l’analyse, les méthodes d’analyse doivent être améliorées. Cette thèse comprend une étude approfondie de la création de cartes et de l’estimation du spectre de puissance, ainsi que le développement des outils nécessaires pour une analyse sphérique du ciel. J’introduis et développe une nouvelle solution au problème de masquage des sources, réduisant l’impact du masque sur la variance du spectre de puissance grâce à l’utilisation de réalisations gaussiennes contraintes de haute précision. Cette méthode, appelée « inpainting», est parfaitement adaptées aux anisotropies du CMB en température et en polarisation. La fiabilité de cette méthode est démontrée par une série des tests approfondis. De plus, une estimation fiable des paramètres nécessite un matrice de covariance précise. Pour cette analyse, je propose une nouvelle méth- ode d’estimation semi-analytique. Cette méthode repose sur une approximation analytique développée pour les relevés CMB sur petite zone de ciel et est adaptée aux spécificités de l’expérience SPT-3G. Bien que cette méthode soit efficace sur le plan computationnel, elle est également flexible et peut être adaptée à d’autres expériences et sondes cosmologiques. Ces améliorations sont essentielles pour l’analyse des données SPT-3G 2019-2020, mais ouvrent également la voie aux futures expériences CMB, telles que le Simons Observatory et CMB-S4. Les résultats scientifiques que je présente dans cette thèse sont réalisés en préparation de l’analyse des données SPT-3G 2019-2020, qui est actuellement en cours de finalisation et dont je suis l’un des auteurs principaux. L’analyse est en développement parallèle, et les résultats présentés ici sont préliminaires. Les résultats finaux devraient être publiés dans les prochains mois.

Observations of primary anisotropies in the cosmic microwave background (CMB) represent a crucial milestone in modern cosmology, offering a unique window into the physics of the early Universe. However, tensions in measurements compared to other probes, such as the Hubble tension, have emerged suggesting potential dis- crepancies within the cosmological concordance. Although these discrepancies may be attributed to systematic effects or statistical fluctuations, the consistent disparity between early and late Universe measurements might hint at new physics. Additionally, the temperature anisotropy measurements have not reached yet the cosmic variance limit at high multipoles, while the polarized anisotropies hold substantial untapped cosmological infor- mation. In this context, investigating a complementary range of multipoles and exploring polarization become vital avenues for potentially uncovering fundamental physics. The South Pole Telescope third-generation (SPT-3G) experiment is undertaking precisely this endeavor, aim- ing to provide state-of-the-art observations that enhance our understanding of the Universe. The objective of this thesis is to present a detailed analysis of the SPT-3G 2019-2020 primary anisotropies data. This dataset achieves a low noise level of 5μK-arcmin in temperature at 150GHz, making it cosmic variance limited for almost all the power spectrum multipole range. Forecasted constraints on cosmological parameters are comparable to the reference Planck experiment but from an independent and complementary dataset. Combining these con- straints is expected to yield at least twice the statistical power, and further improvements can be achieved by incorporating information from extended fields, lensing measurements, and other CMB datasets such as those from the Atacama Cosmology Telescope. To ensure the accuracy and precision of the analysis, the pipeline requires additional development. This thesis includes an in-depth study of the map-making pipeline and power spectrum estimation, along with the devel- opment of the necessary tools for a curved sky analysis. I introduce and develop a novel solution to the source masking problem, reducing the impact of the mask on power spectrum variance through the use of high preci- sion Gaussian constrained realizations of CMB anisotropies in temperature and polarization called inpainting. Extensive testing is conducted to demonstrate the robustness of this method. Additionally, reliable estimation of parameters necessitates accurate covariance matrices. For this analysis, I propose a new semi-analytical framework, adapted from an analytical approximation developed for small footprint CMB surveys, tailored to the specificities of the SPT-3G experiment. While this method is computationally efficient, it is also flexible and can be adapted to other experiments and cosmological probes. Such improvements are essential for the analysis of the SPT-3G 2019-2020 data, but also pave the way for future CMB experiments, such as the Simons Observatory and CMB-S4. The scientific results I present in this thesis are done in preparation for the analysis of the SPT-3G 2019-2020 data, which is currently being finalized and of which I am one of the leading authors. The analysis pipeline is being developed in parallel, and the results presented here are preliminary. The final results are expected to be published in the coming months.