Cosmologie observationnelle avec le satellite Planck : extraction du signal astrophysique des données brutes de l'instrument HFI et étude de l'effet du rayonnement cosmique

Observational Cosmology with the Planck satellite : extraction of the astrophysical signal from raw data of HFI instrument and study of the impact of cosmic rays

• Auteur / Autrice : Damien Girard
• Direction : Cécile Renault
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences physiques. Physique subatomique et astroparticules
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie (Grenoble ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Alain Benoit
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Couchot, Martin Kunz
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Brendan Crill, Ken Ganga

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bolomètres

Rayonnement extraterrestre

Fond diffus cosmologique

Planck (satellite artificiel)

Astronomie -- Observations

Mots clés libres

Cosmologie

Rayonnement fossile

Planck

Analyse de données

Bolomètres

Rayons cosmiques

Cosmology

Cosmic microwave background

Planck

Data analysis

Bolometers

Cosmic rays

Résumé

La cosmologie est une science très ancienne qui a pour but de décrire l'Univers à grande échelle. Le modèle standard de la cosmologie est un modèle de Big-Bang de type CDM inflationnaire, il est basé sur la théorie de la Relativité Générale. Le rayonnement fossile constitue l'un des trois piliers de ce modèle, avec l'expansion de l'Univers et la nucléosynthèse primordiale. C'est le rayonnement le plus ancien observable dans l'Univers. L'étude de ses anisotropies de température et en polarisation permettent d'accéder à des informations directes sur le contenu et la géométrie de l'Univers primordial. Le satellite Planck, lancé le 14 mai 2009, représente la troisième génération de missions satellite d'étude du rayonnement fossile. La sensibilité exceptionnelle de ses instruments High Frequency Instrument et Low Frequency Instrument permettra de contraindre très fortement les modèles cosmologiques décrivant les premiers instants de l'Univers, en particulier la période d'inflation, et de mesurer avec une précision de l'ordre du pourcent les paramètres cosmologiques qui décrivent l'évolution de l'Univers. Pour atteindre ces objectifs scientifiques ambitieux chacun des effets systématiques instrumentaux doit être sévèrement contrôlé et corrigé au cours de l'analyse des données. L'effet des rayons cosmiques interagissant avec les bolomètres de HFI, qui est l'un des effets systématiques instrumentaux les plus importants, et l'un des seuls qui diffère significativement des prédictions, est corrigé lors de l'analyse des données ordonnées en temps. La compréhension détaillée de ce phénomène et sa modélisation sont nécessaires pour s'en affranchir et atteindre une sensibilité effective optimale. Elles permettront également de tenir compte de cet effet dans les instruments futurs dès la conception des détecteurs. Cette thèse propose une première partie consacrée à la cosmologie, une seconde partie décrivant le satellite Planck, l'instrument HFI et en particulier ses détecteurs et une troisième partie consacrée à l'analyse des données de l'instrument HFI. Je me concentre sur l'analyse des données en temps et le traitement des effets systématiques instrumentaux et je propose une analyse détaillée de l'effet du rayonnement cosmique sur le signal et une évaluation de son impact sur les résultats de Planck.

Cosmology is a very old science. Its goal is to describe the Universe at large scales. The standard model of cosmology is an inflation- CDM Big-Bang model. It is based on General Relativity. The cosmic microwave background is one of the three pillars of this model, with the expansion of the Universe and the primordial nucleosynthesis. It is the oldest detectable radiation in the Universe. The study of its temperature and polarization anisotropies allow us to access direct information about the content and the geometry of the primordial Universe. The Planck satellite, launched on May the 14th of 2009, represents the third generation of satellite missions which study the cosmic microwave background. The exceptional sensitivity of its instruments, High Frequency Instrument and Low Frequency Instrument, will allow us to constrain very strongly the cosmological models describing the early Universe, particularly the inflationary period, and to measure the cosmological parameters which describe the evolution of the Universe with an accuracy down to the percent. To reach these ambitious scientific objectives, each systematic instrumental effect has to be severely controlled and corrected by the data analysis. The effect of cosmic rays interacting with the bolometers of HFI, which is one of the most important effects, and which differs significatively from predictions, is corrected during the time ordered data analysis. The detailed understanding of this phenomenon and its modelization are necessary to correct it and to reach an optimal effective sensitivity. They will permit to take this effect into account in the conception of the future instruments detectors. This thesis proposes a first part focused on cosmology, a second part describing the Planck satellite, the HFI instrument and particularly its detectors and a third part dedicated to the HFI instrument data analysis. I concentrate on time ordered data analysis and on the corrections of instrumental systematic effects. Then I propose a detailed analysis of the effect of cosmic rays on the signal and an evaluation of its impact on Planck's results.