Constraining the thermal history of the universe with the Cosmic Microwave Background
par Silvia Galli
Thèse de doctorat en Astronomie et astrophysique
Sous la direction de James Bartlett et de Alessandro Melchiorri.
Soutenue en 2011
à Paris 7 en cotutelle avec l'Università degli studi La Sapienza (Rome) .
mots clés-
Titre traduit
Contrainte sur l'histoire thermique de l'Univers avec le rayonnement du Fond Diffus Cosmologique
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Résumé
L'excellent accord entre le modèle standard de la cosmologie et les mesures récentes du fond diffus cosmologique (CMB) permet de contraindre un large éventail de processus physiques. En particulier, dans cette thèse, nous exploitons l'accord remarquable entre la description théorique du processus de recombinaison et les données du CMB pour contraindre précisément les phénomènes qui affectent l'évolution de l'histoire thermique de l'Univers. Cela contribue à répondre à certaines questions importantes encore non résolues au sein du modèle standard de la cosmologie. Nous avons d'abord étudié le problème de la nature de la matière noire. Une injection d'énergie supplémentaire due à l'annihilation de matière noire à l'époque de la recombinaison aurait un effet sur la forme du spectre de puissance du CMB, permettant donc de contraindre les propriétés de la matière noire en utilisant ce dernier. La deuxième question traitée concerne la validité de la physique classique pour décrire l'Univers. De nouvelles théories fondamentales pourraient prédire la variation spatio-temporelle des ^constantes" fondamentales. Dans cette thèse, nous testons la constance de la constante de gravitation et de la constante de structure fine à l'aide du CMB. La troisième question concerne les caractéristiques (et en particulier, l'évolution) de l'énergie sombre. L'information qui peut être extraite du CMB est limitée. En particulier, le CMB peut faiblement contraindre l'évolution temporelle de l'équation d'état de l'énergie sombre. Nous montrons ainsi comment l'observation des amas de galaxies combinée à l'étude du CMB peut être un outil puissant pour contraindre l'énergie sombre.
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Résumé
The excellent agreement between the Standard Model of Cosmology and the recent measurements of the Cosmic Microwave Background (CMB) permits to constrain a wide range of physical processes. In particular, in this thesis we exploit the remarkable agreement between the theoretical description of the recombination process, occurring at z~1000, and the CMB data to severely constrain phenomena that affect the evolution of the thermal history of the universe. This contributes answering some important issues still unsolved in the standard model of cosmology. We first address the problem of the nature of dark matter. An extra energy injection due to dark matter annihilation during the epoch of recombination would affect the shape of the CMB power spectra. This allows to constrain dark matter properties using the CMB. The second question regards the validity of conventional physics to describe the Universe. New fundamental theories might predict the space-time variation of fundamental 'constants'. In this thesis we test the constancy of the gravitational constant and of the fine structure constant using the CMB. The third question concerns the characteristics (and in particular, the evolution) of dark energy. The information that can be extracted from the CMB is limited, making necessary the use of complementary probes that can break degeneracies between parameters. This is the case for the evolution of the dark energy equation of state with time, that the CMB can only weakly constrain. We thus show how the observation of clusters of galaxies combined with CMB can be a powerful tool to constrain dark energy.
