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Theses Year : 2015

Non-linear regime of cosmic structure formation

Régime non-linéaire de formation des structures cosmiques

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Abstract

In the near future numerous galaxy surveys are going to provide a cartography of the distribution of matter in the universe, with which it will be possible to constrain the cosmological parameters with an unprecedented precision. This means that theoretical predictions of the observables at issue need to attain a high level of precision, so that we can extract the maximum cosmological information when comparing them to observations. Upcoming surveys have been conceived to understand the nature of dark energy, a component of which we have postulated the existence to explain the acceleration of the expansion of the universe observed at low redshift. In the standard cosmological model this component is represented as a cosmological constant Λ that dominate the energy budget of the universe today. Even if the ΛCDM model remains in good agreement with observations, a number of theoretical problems regarding the nature of the cosmological constant justify the study of a great number of alternative models, that now have to be put to the test with observations. To do so, it is necessary to take into account the effects of the non-linear dynamics of the gravitational collapse process. This thesis is placed in this context, using N-body simulations as a tool to link observations to the theory of cosmic structure formation in non-linear regime. On one side we are going to explore the impact of non-linear effects on the estimation of cosmological parameters in a statistical framework. This requires the computation of the covariance matrix of the matter power spectrum. The estimation of this matrix using simulations allows the quantification of the importance of non-linear effects that, if neglected, can bias the results or lead to an under-estimation of the statistical errors on the cosmological parameters. On the other side, we are going to present the numerical methods to solve the evolution of a dark energy fluid with perturbations that have a very low speed of propagation with respect to the speed of light. Collapsing dark energy perturbations leave a distinctive imprint on the distribution of matter in the universe. In this case, dark energy cannot be treated as a homogeneous fluid and its evolution has to be followed in the non-linear regime together with the dark matter component. These numerical methods, once coupled to an N-body code, will allow the production of the first simulations of the evolution of an inhomogeneous dark energy model.
Dans le futur proche, de nombreux sondages de galaxies fourniront une cartographie de la distribution de la matière dans l’univers, avec laquelle il sera possible de contraindre les paramètres cosmologiques avec une precision inégalée. Cela implique que les predictions théoriques des observables en question doivent atteindre une precision suffisante pour pouvoir être comparées aux observations et extraire le maximum d’information cosmologique. Ces sondages ont été conçus pour comprendre la nature de l’énergie noire, une composante dont on a supposé l’existence pour expliquer l’accélération de l’expansion de l’univers observée à bas décalage vers le rouge. Dans le modèle standard de la cosmologie, cette composante est représentée par une constante cosmologique Λ qui domine le budget énergétique de l’univers aujourd’hui. Même si le modèle ΛCDM reste en bon accord avec les observations, de nombreux problèmes théoriques concernant la nature de la constante cosmologique motivent l’étude d’un très grand nombre de modèles alternatifs, qui doivent maintenant être mis à l’épreuve des observations. Pour ce faire, il est nécessaire de tenir compte des effets de la dynamique non-linéaire du processus d’effondrement gravitationnel. Cette thèse se place dans ce contexte, en utilisant les simulations N-corps comme outil pour relier aux observations la théorie de la formation des structures cosmiques dans le régime non-linéaire. D’un coté je vais explorer l’impact des effets non-linéaires sur l’estimation des paramètres cosmologiques dans le cadre d’une interprétation statistique des données. Celle ci nécessite le calcul de la matrice de covariance du spectre de puissance de la matière. L’estimation de cette matrice au moyen des simulations permet de quantifier l’importance des ces effets qui, si négligés, peuvent biaiser les résultats ou amener à une sous-estimation des erreurs statistiques sur les paramètres cosmologiques. De l’autre, je vais présenter les méthodes numériques pour résoudre l’evolution d’un fluide d’énergie noire dans le cas où les perturbations ont une vitesse de propagation très faible devant celle de la lumière. En s’effondrant l’énergie noire laisse des empreintes distinctes sur la distribution de matière dans l’univers. Dans ce cas, l’énergie noire ne peut être traitée comme un fluide homogène et son evolution doit être suivie dans le régime non-linéaire en meme temps que celle de la matière noire. Ces méthodes numériques, une fois couplées avec un code N-corps, permettront de produire les premières simulations de l’evolution cosmique d’un modèle d’énergie noire in-homogène.
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Dates and versions

tel-01246351 , version 1 (18-12-2015)

Identifiers

  • HAL Id : tel-01246351 , version 1

Cite

Linda Blot. Non-linear regime of cosmic structure formation: Imprints on the covariance of the power spectrum and dynamics of Dark Energy inhomogeneities. Cosmology and Extra-Galactic Astrophysics [astro-ph.CO]. Observatoire de Paris, 2015. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01246351⟩
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