Combinaison d'information spectroscopique et d'imagerie pour les grands relevés de lentilles gravitationnelles faibles

Combining spectroscopy and imaging in the era of precision weak lensing

• Auteur / Autrice : Fabian Hervas Peters
• Direction : Martin Kilbinger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 15/10/2025
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Astrophysique Instrumentation Modélisation (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2005-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Éric Aubourg
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Jullo, Cyrille Doux, Anna Niemiec, Natalia Porqueres, Daniel Grün
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eric Jullo, Cyrille Doux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie en astronomie

Matière noire (astronomie)

Cosmologie

Lentilles gravitationnelles

Mots clés libres

Cosmologie

Correlation-Croisée

Alignment Intrinsèque

Cosmology

Cross-Correlation

Intrinsic Alignment

Résumé

Au cours de la prochaine décennie, les grands relevés cosmologiques de phase IV, tels qu'Euclid et LSST, permettront d'atteindre une compréhension sans précédent de l'évolution de l'Univers et de son contenu à partir de la structure à grande échelle. Pour enrichir notre compréhension du modèle cosmologique, ainsi que sur la nature de la matière noire et de l'énergie noire, plusieurs défis doivent être surmontés afin de tirer pleinement parti de la puissance statistique de ces relevés. Cette thèse participe à cet effort en s'appuyant sur des jeux de données existants : UNIONS (Ultraviolet Near Infrared Optical Northern Survey), un relevé d'imagerie, le Sloan Digital Sky Survey (SDSS), un relevé spectroscopique tout comme DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument). La thèse est structurée en trois parties, avec pour objectif d'extraire davantage d'information des relevés de lentilles gravitationnelles faibles en utilisant les synergies entre relevés d'imagerie et catalogues spectroscopiques de décalages vers le rouge.Après une présentation du contexte cosmologique, nous nous concentrons sur le relevé d'imagerie, en présentant d'abord le jeu de données UNIONS et ses caractéristiques. Nous détaillons ensuite le développement d'un ensemble de simulations d'images hautement réalistes, traitées à travers toute la chaîne de mesures de formes. Cela permet de valider le processus de mesure du cisaillement cosmique et de renforcer la confiance effectuées sur les images réelles. Ces images simulées reproduisent les données avec une précision remarquable, ce qui permet de calibrer les biais résiduels dans les estimations du cisaillement cosmique non pris en compte dans le processus de mesure des formes, en mettant un accent particulier sur l'effet des galaxies superposées. Cette partie démontre la robustesse du jeu de données UNIONS et de son étalonnage.Dans une deuxième partie, nous étudions un effet systématique crucial pour les études de lentilles gravitationnelles faibles: l'alignement intrinsèque des galaxies. L'objectif dans une étude de cisaillement cosmique est de corréler de petites déformations cohérentes de galaxies en arrière-plan, induites par la structure au premier plan. L'alignement intrinsèque produit une corrélation similaire entre galaxies proches, due aux forces de marée les étirant vers les surdensités. En combinant les mesures de forme issues d'UNIONS avec les données spectroscopiques de BOSS/eBOSS, nous mesurons des fonctions de corrélation à deux points dans un régime dominé par l'alignement intrinsèque, grâce à la bonne connaissance des distances entre galaxies. Nous montrons ainsi que les mesures obtenues avec les données UNIONS sont compatibles avec d'autres relevés. Ces mesures directes peuvent alors être utilisées comme probabilité à priori dans les futures analyses de lentilles gravitationnelles faibles.Dans un dernier chapitre, nous explorons le potentiel d'une analyse cosmologique combinant les sources d'arrière-plan UNIONS avec les traceurs d'avant-plan de SDSS et DESI. Dans le cadre d'une analyse dite ''3x2 points'', nous montrons que la chaîne d'analyse est prête et que la puissance de contraintes combinée des jeux de données est très prometteuse.La combinaison de ces trois parties permet à la fois de maîtriser des effets systématiques observationnels et astrophysiques pour obtenir des contraintes fiables sur les paramètres cosmologiques. Cette thèse ouvre ainsi la voie à une inférence tomographique cosmologique robuste pour le relevé UNIONS, qui éclairera les choix méthodologiques pour l'analyse des futurs relevés de phase IV.

In the coming decade, stage IV cosmological surveys such as Euclid and the Legacy Survey of Space and Time (LSST) will allow unprecedented insights into the evolution of the Universe and its content, as traced by the large-scale structure. To fully exploit the statistical power of these surveys and gain deep insights into the cosmological model, as well as the nature of dark matter and dark energy, several challenges must be addressed. This thesis contributes to this effort by working with existing datasets, namely the Ultraviolet Near Infrared Optical Northern Survey, an imaging survey in the northern sky, the spectroscopic data from the Sloan Digital Sky Survey (SDSS) and the Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI).This thesis is structured in three parts, aiming at extracting more information from lensing surveys by leveraging the combination of imaging and spectroscopic data. After introducing the cosmological context, we first focus on the imaging survey, presenting the UNIONS data set and its characteristics. We then describe the development of a set of highly realistic image simulations, which are processed through the full shape measurement pipeline. This enables us to validate the shear measurement process, increasing confidence in the accuracy of the dataset. The simulated images reproduce the data with high fidelity, allowing us to calibrate residual biases in the shear estimates. We particularly consider effects not accounted for during the shape measurement process, such as the impact of blended galaxies. With this chapter, we demonstrate the robustness of the UNIONS dataset and present its shear calibration procedure.In a second part, we investigate a crucial systematic for weak lensing, the intrinsic alignment of galaxies. Cosmic shear aims to correlate small, coherent distortions in background galaxies as they are lensed by foreground structures. Intrinsic alignment causes a similar correlation among nearby galaxies due to tidal forces stretching them towards overdensities. By combining shape measurements from UNIONS with spectroscopic data from BOSS/eBOSS, we measure two-point correlation functions in a regime dominated by intrinsic alignments, where distances between galaxies are well determined. This allows us to demonstrate the consistency of UNIONS with other surveys. By demonstrating this agreement, we show that these direct measurements can be used as a prior in future weak lensing analyses.In the final chapter, we explore the potential of a cosmological analysis combining UNIONS background sources with SDSS and DESI foreground tracers. In the context of a 3x2 point correlation analysis, we show the readiness of the analysis pipeline and highlight the promising constraining power from the combined datasets.The three central chapters of this thesis improve our understanding of observational and astrophysical systematic biases for weak lensing, and bring all elements together for a joint cosmological inference of photometric and spectroscopic data. This thesis prepares a reliable tomographic cosmological inference using the UNIONS survey, which will inform analysis strategies in the subsequent stage IV surveys.