Probing Cosmology with the homogeneity scale of the Universe through large scale structure surveys. - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2017

Probing Cosmology with the homogeneity scale of the Universe through large scale structure surveys.

Tests de la cosmologie via l'échelle de transition vers l'homogénéité au travers des relevés des grandes structures dans l'Univers.

Résumé

This thesis exposes my contribution to the measurement of homogeneity scale using galaxies, with the cosmological interpretation of results. In physics, any model is characterized by a set of principles. Most models in cosmology are based on the Cosmological Principle, which states that the universe is statistically homogeneous and isotropic on a large scales. Today, this principle is considered to be true since it is respected by those cosmological models that accurately describe the observations. However, while the isotropy of the universe is now confirmed by many experiments, it is not the case for the homogeneity. To study cosmic homogeneity, we propose to not only test a model but to test directly one of the postulates of modern cosmology. Since 1998 the measurements of cosmic distances using type Ia supernovae, we know that the universe is now in a phase of accelerated expansion. This phenomenon can be explained by the addition of an unknown energy component, which is called dark energy. Since dark energy is responsible for the expansion of the universe, we can study this mysterious fluid by measuring the rate of expansion of the universe. The universe has imprinted in its matter distribution a standard ruler, the Baryon Acoustic Oscillation (BAO) scale. By measuring this scale at different times during the evolution of our universe, it is then possible to measure the rate of expansion of the universe and thus characterize this dark energy. Alternatively, we can use the homogeneity scale to study this dark energy. Studying the homogeneity and the BAO scale requires the statistical study of the matter distribution of the universe at large scales, superior to tens of Megaparsecs. Galaxies and quasars are formed in the vast overdensities of matter and they are very luminous: these sources trace the distribution of matter. By measuring the emission spectra of these sources using large spectroscopic surveys, such as BOSS and eBOSS, we can measure their positions. It is thus possible to reconstruct the distribution of matter in 3 dimensions in gigantic volumes. We can then extract various statistical observables to measure the BAO scale and the scale of homogeneity of the universe. Using Data Release 12 CMASS galaxy catalogs, we obtained precision on the homogeneity scale reduced by 5 times compared to WiggleZ measurement. At large scales, the universe is remarkably well described in linear order by the ΛCDM-model, the standard model of cosmology. In general, it is not necessary to take into account the nonlinear effects which complicate the model at small scales. On the other hand, at large scales, the measurement of our observables becomes very sensitive to the systematic effects. This is particularly true for the analysis of cosmic homogeneity, which requires an observational method so as not to bias the measurement. In order to study the homogeneity principle in a model independent way, we explore a new way to infer distances using cosmic clocks and type Ia SuperNovae. This establishes the Cosmological Principle using only a small number of a priori assumption, i.e. the theory of General Relativity and astrophysical assumptions that are independent from Friedmann Universes and in extend the homogeneity assumption. This manuscript is as follows. After a short presentation of the knowledge in cosmology necessary for the understanding of this manuscript, presented in Chapter 1, Chapter 2 will deal with the challenges of the Cosmological Principle as well as how to overcome those. In Chapter 3, we will discuss the technical characteristics of the large scale structure surveys, in particular focusing on BOSS and eBOSS galaxy surveys. Chapter 4 presents the detailed analysis of the measurement of cosmic homogeneity and the various systematic effects likely to impact our observables. Chapter 5 will discuss how to use the cosmic homogeneity as a standard ruler to constrain dark energy models from current and future surveys. In Chapter 6, we present our results on the determination of the homogeneity of the universe model independently. Finally in chapter 7, we draw our conclusions.
Cette th\`ese pr\'esente ma contribution \`a la mesure de l'\'echelle d'homog\'en\'eit\'e \`a l'aide de galaxies, avec l'interpr\'etation cosmologique des r\`esultats. En physique, tout mod\`ele est constitu\'e par un ensemble de principes. La plupart des mod\`eles de cosmologie sont bas\'es sur le principe cosmologique, qui indique que l'univers est statistiquement homog\`ene et isotrope \`a grande \'echelle. Aujourd'hui, ce principe est consid\'er\'e comme vrai car il est respect\'e par ces mod\`eles cosmologiques qui d\'ecrivent avec pr\'ecision les observations. Cependant, l'isotropie de l'univers est maintenant confirm\'ee par de nombreuses exp\'eriences, mais ce n'est pas le cas pour l'homog\'en\'eit\'e. Pour \'etudier l'homog\'en\'eit\'e cosmique, nous proposons un postulat d'homog\'en\'eit\'e cosmique. Depuis 1998, les mesures des distances cosmiques \`a l'aide de supernovae de type Ia, nous savons que l'univers est maintenant en phase d'expansion acc\'el\'er\'ee. Ce ph\'enom\`ene s'explique par l'ajout d'une composante \'energ\'etique inconnue, appel\'ee \'energie sombre. Puisque l'\'energie noire est responsable de l'expansion de l'univers, nous pouvons \'etudier ce fluide myst\'erieux en mesurant le taux d'expansion de l'univers. L'\'echelle d'oscillation acoustique Baryon (BAO). En mesurant cette \'echelle \`a diff\'erents moments de la vie de notre univers, il est alors possible de mesurer le taux d'expansion de l'univers et donc de caract\'eriser cette \'energie sombre. Alternativement, nous pouvons utiliser l'\'echelle d'homog\'en\'eit\'e pour \'etudier cette \'energie sombre. L'\'etude l'echelle de l'homog\'en\'eit\'e et l'\'echelle BAO reclament l\`etude statistique de la regroupement de la mati\`ere de l'univers \`a grandes \'echelles, sup\'erieure \`a plusieurs dizaines de Megaparsecs. Les galaxies et les quasars sont form\'es dans les vastes surdensit\'es de la mati\`ere et ils sont tr\`es lumineuses: ces sources tracent la distribution de la mati\`ere. En mesurant les spectres d'\'emission de ces sources en utilisant de larges \'etudes spectroscopiques, telles que BOSS et eBOSS, nous pouvons mesurer leurs positions. Il est possible de reconstruire la distribution de la mati\`ere en trois dimensions en volumes gigantesques. Nous pouvons ensuite extraire divers observables statistiques pour mesurer l'\'echelle BAO et l'\'echelle d'homog\'en\'eit\'e de l'univers. En utilisant les catalogues de diffusion de donn\'ees 12 de la version 12 de donn\'ees, nous avons obtenu une pr\'ecision sur l'\'echelle d'homog\'en\'eit\'e r\'eduite de $5$ par rapport la mesure de WiggleZ. \`A grande \'echelle, l'univers est remarquablement bien d\'ecrit en ordre lin\'eaire selon le mod\`ele $ \ LCDM $, le mod\'ele standard de la cosmologie. En g\'en\'eral, il n'est pas n\'ecessaire de prendre en compte les effets non lin\'eaires qui compliquent le mod\`ele \`a petites \'echelles. D'autre part, \`a grande \'echelle, la mesure de nos observables devient tr\`es sensible aux effets syst\'ematiques. Ceci est particuli\`erement vrai pour l'analyse de l'homog\'en\'eit\'e cosmique, qui n\'ecessite une m\`ethode d'observation. Afin d'\'etudier le principe d'homog\'en\'eit\'e d'une mani\`ere ind\'ependante du mod\`ele, nous explorons une nouvelle fa\c{c}on d'inf\'erer des distances en utilisant des horloges cosmiques et SuperNovae de type Ia. C'est la th\'eorie la plus couramment utilis\'ee dans le domaine des hypoth\`eses astrophysiques. Ce manuscrit est le suivant. Apr\`es une courte pr\'esentation des connaissances en cosmologie n'ecessaires \`a la compr\'ehension de ce manuscrit, pr\'esent\'ee au chapitre 1, le chapitre 2 traitera des d\'efis du principe cosmologique ainsi que de la mani\`ere de les surmonter. Au chapitre 3, nous discuterons des caract\'eristiques techniques de la structure \`a grande \'echelle dans les enqu\^etes de BOSS et de eBOSS. Le chapitre 4 pr\'esente l'analyse d\'etaill'ee de la mesure de l'homog\'en\'eit\'e cosmique et des diff\'erents effets syst\'ematiques. Le chapitre 5 traitera de l'utilisation de l'homog\'en\'eit\'e cosmique comme r\`egle standard pour limiter les mod\`eles d'\'energie sombre des enqu\^etes actuelles et futures. Dans le chapitre 6, nous pr\'esentons nos r\'esultats sur la d\'etermination de l'homog\'en\'eit\'e du mod\`ele universel de mani\`ere ind\'ependante. Enfin, au chapitre 7, nous tirons nos conclusions.
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Citer

Pierros Ntelis. Probing Cosmology with the homogeneity scale of the Universe through large scale structure surveys.. Sciences of the Universe [physics]. Astroparticule and Cosmology Group, Physics Department, Paris Diderot University, 2017. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01674537⟩
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