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Theses Year : 2013

Lightcone Averaging and Precision Cosmology

Moyennes sur le Cône de Lumière et Cosmologie de Précision

Abstract

The first objective of this thesis is to fill the lack in cosmology of a description on the past light cone: the null hypersurface on which observed signals propagate. Its second goal is to evaluate the importance of inhomogeneities in the determination of dark energy parameters, whose real nature is still unknown and for which the influence of matter structures has been proposed as a cosmological alternative. We start with the definition of a "geodesic lightcone" gauge simplifying greatly the study of light propagation in the Universe. We then define a gauge invariant average of scalars on the past light cone and compute the effect of inhomogeneities on the luminosity flux by considering their power spectrum up to its non-linear regime. The effect on the flux is negligible whereas observables like the luminosity distance, computed at second order in perturbations, are much more affected. We also study the distance modulus at the basis of the discovery of dark energy from type Ia supernovae (SNe). The average of this modulus is only slightly affected by inhomogeneities but its variance sensitively depends on them. These results show, within their hypotheses, that an alternative to dark energy by an effect of structures is impossible but, at the same time, emphasize their importance on the dispersion of data in the Hubble diagram. The dominating physical effects turn out to be peculiar velocity of SNe and weak lensing. Our predictions on the dispersion are in very good agreement with first analyses carried out so far to detect a signal of lensing among SNe Ia data and will be testable in the near future.
Le premier objectif de cette thèse est de répondre au manque en cosmologie de description sur le cône de lumière passé: hypersurface nulle où se propagent tous les signaux observés. Son deuxième est d'évaluer l'importance des inhomogénéités dans la détermination des paramètres de l'énergie sombre, de nature encore inconnue et pour laquelle l'influence des structures de matière a été proposée comme une alternative cosmologique. Nous définissons une jauge "géodésique sur le cône de lumière" qui simplifie grandement l'étude de la propagation lumineuse dans l'Univers. Nous établissons ensuite une moyenne, invariante de jauge, pour les quantités scalaires sur le cône et calculons l'effet des inhomogénéités sur le flux lumineux en considérant leur spectre de puissance jusque son régime non-linéaire. Leur effet sur le flux est négligeable tandis que des observables comme la distance de luminosité, évaluée jusqu'au second ordre en perturbations, sont bien plus affectées. Nous étudions aussi le module de distance à la base de la découverte de l'énergie sombre par les supernovæ (SNe) Ia. La moyenne de ce module est peu affectée par les inhomogénéités mais sa variance l'est sensiblement. Ces résultats montrent, dans leur cadre, qu'une alternative à l'énergie sombre par un effet des structures est impossible mais, en même temps, soulignent leur importance sur la dispersion des données du diagramme de Hubble. Les effets physiques dominants sont la vitesse des SNe et l'effet de lentille faible. Nos prédictions sur la dispersion se révèlent en très bon accord avec les premières analyses de SNe visant à détecter un signal de lentilles et seront vérifiables dans les années futures.
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Dates and versions

tel-00861974 , version 1 (14-09-2013)
tel-00861974 , version 2 (01-10-2013)

Identifiers

  • HAL Id : tel-00861974 , version 2

Cite

Fabien Nugier. Lightcone Averaging and Precision Cosmology. Cosmology and Extra-Galactic Astrophysics [astro-ph.CO]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2013. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00861974v2⟩
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