Contraintes sur l'énergie sombre utilisant les forêts lyman-alpha des quasars de DESI

Detection of Baryon Acoustic Oscillation using Lyman-alpha Forests in DESI/Eboss

• Auteur / Autrice : Ting Tan
• Direction : Christophe Balland, James Rich
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'univers
• Date : Soutenance le 21/09/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• 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 : Laboratoire Physique nucléaire et hautes énergies (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Sophie Trincaz-Duvoid
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphanie Escoffier, Matthew Pieri, Alexandre Réfrégier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alain Blanchard, Vanina Ruhlmann-Kleider

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oscillations baryoniques acoustiques

Énergie sombre (astronomie)

Distances (cosmologie)

Quasars

Mots clés libres

Cosmologie

Énergie sombre

Lyman-alpha

Quasar

DESI

Cosmology

Dark energy

Lyman-alpha

Quasar

DESI

Résumé

La cosmologie moderne s'est développée après la découverte de Hubble (loi de Hubble, 1929), arguant que les nébuleuses extragalactiques s'éloignent les unes des autres et comme une observation interprétée comme une preuve de l'expansion de l'univers. 70 ans plus tard, la mesure de l'accélération de l'univers en expansion avec des supernovae de type Ia suggère encore un univers dynamique actuellement bien modélisé par le modèle cosmologique dit standard, le modèle ΛCDM. Le Baryon Acoustic Oscillations (BAO) est une sonde puissante pour mesurer le paramètre de Hubble et fournir des contraintes sur le modèle ΛCDM. Il imprime les fluctuations de densité des baryons et des photons, qui se sont propagés sous forme d'ondes sonores dans le plasma baryon-photon de l'univers primordial. Le BAO peut être mesuré comme un pic dans la fonction de corrélation à deux points des traceurs de matière, et le but de cette thèse est d'étudier cette sonde à l'aide de forêts de Lyman-α (Lyα). Les forêts Lyα sont présentes sous forme de raies d'absorption dans le spectre du quasar, causées par les transitions Lyα des photons traversant le milieu intergalactique (IGM) dans l'univers. L'utilisation de forêts Lyα fournit la mesure du pic BAO à un décalage vers le rouge élevé z > 2. Dans ce doctorat. manuscrit, je donne une brève introduction au modèle de cosmologie. Le chapitre 2 présente les deux études de cosmologie dont bénéficient mes analyses, l'oscillation acoustique baryonique étendue (eBOSS) et l'instrument spectroscopique à énergie noire (DESI). Je fournis une description des données synthétiques Lyα, les soi-disant simulations Lyα, au chapitre 3. Ces simulations sont utilisées pour valider notre pipeline d'analyse Lyα, qui est décrit au chapitre 4. J'ai contribué en tant que membre actif de la collaboration DESI aux analyses comparatives du BAO de la forêt Lyα en utilisant des simulations et des données provenant à la fois d'eBOSS et de DESI. Cette partie de mon travail est présentée dans le chapitre 5, et est reprise dans plusieurs publications collaboratives du DESI. Je présente dans le chapitre 6 la contribution la plus importante de cette thèse à la collaboration DESI est l'analyse des systèmes à haute densité de colonne (ci-après HCD), l'un des effets systématiques les plus importants pour le BAO de la forêt Lyα. J'ai développé un modèle théorique, que j'appelle le modèle de Voigt, pour expliquer l'effet d'amortissement non local des HCD sur les fonctions de corrélation Lyα. Ce modèle fournit également une base physique pour expliquer les modèles phénoménologiques qui ont été utilisés dans les études précédentes.

Modern cosmology was developed after the discovery of Hubble (Hubble’s law, 1929), arguing that extragalactic nebulas are moving away from each other and as an observation that was interpreted as evidence of the expansion of the universe. 70 years later, the measurement of the acceleration of the expanding universe with type Ia supernovae further suggests a dynamic universe currently well-modeled by the so-called standard cosmological model, the ΛCDM model. The Baryon Acoustic Oscillations (BAO) is a powerful probe to measure the Hubble parameter and provide constraints on the ΛCDM model. It imprints the density fluctuations of baryons and photons, which propagated in the form of sound waves the in the early universe baryon-photon plasma. The BAO can be measured as a peak in the two-point correlation function of matter tracers, and the goal of this thesis is to study this probe using Lyman-α (Lyα) forests. The Lyα forests are present as absorption lines in the quasar’s spectrum, caused by the Lyα transitions of photons passing through the intergalactic medium (IGM) in the universe. Using Lyα forests provides the measurement of the BAO peak at high redshift z > 2. In this Ph.D. manuscript, I give a brief introduction to the cosmology model. Chapter 2 presents the two cosmology surveys that my analyses benefit from, the extended Baryon Acoustic Oscillation (eBOSS), and the Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI). I provide a description of the synthetic Lyα data, the so-called Lyα mocks, in Chapter 3. These mocks are used to validate our Lyα analysis pipeline, which is described in Chapter 4. I contributed as an active member in the DESI collaboration to the comparison analyses of Lyα forest BAO using mocks and data from both eBOSS and DESI. This part of my work is presented in Chapter 5, and is included in several collaboration publications of DESI. I present in Chapter 6 the most important contribution of this thesis to the DESI collaboration is the analysis of High Column Density systems (hereafter HCDs), one of the most important systematic effects for Lyα forest BAO. I developed a theoretical model, which I call the Voigt model, to explain the non-local damping effect of HCDs on the Lyα correlation functions. This model also provides a physical ground to explain the phenomenological models that were used in previous studies.