Propagation de la lumière dans un Univers structuré et nouvelles approches numériques en cosmologie

Light propagation through cosmic structures and new numerical approaches in cosmology

• Auteur / Autrice : Vincent Reverdy
• Direction : Jean-Michel Alimi, Yann Rasera
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et astrophysique
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Observatoire de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine1992-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Michel Alimi, Yann Rasera

Mots clés

Mots clés contrôlés

Distances (cosmologie)

Simulation par ordinateur

Astronomie géodésique

Relativité générale (physique)

Cosmologie

Résumé

La question de la nature de l’accélération de l’expansion de l’Univers est l’une des problématiques centrales de la cosmologie actuelle. Des approches ontologiques, législatives et paradigmatiques ont été proposées pour tenter d’y répondre. Toutefois s’il s’avère crucial de disposer de davantage de contraintes observationnelles pour être en mesure de lever les dégénérescences. Dans ce contexte, l’empreinte laissée par l’accélération de l’expansion dans la formation des grandes structures a un rôle important à jouer. Cette thèse s’interroge sur cette empreinte, notamment au travers des effets qu’elle a sur la propagation de la lumière. Conformément aux prédictions de la relativité générale, la trajectoire des photons est courbée aux environs des amas, superamas et filaments galactiques entrainant un certain nombre de conséquences observables : lentillage gravitationnel, redshift gravitationnel, effet Sachs-Wolfe intégré, décalages temporels … Pour quantifier ces effets, les premières simulations de la structuration à l’échelle de l’Univers Observable ont été effectuées dans le but de construire des cônes de lumière autour d’observateurs virtuels. Cela a permis de se réinterroger sur la question de la simulation numérique en cosmologie et de proposer de nouvelles approches à base de métaprogrammation par template et de langages embarqués pour concevoir des codes alliant généricité et performance. Un code de raytracing en champ faible basé sur un nouvel algorithme de maillage a été réalisé. Au final, l’intégration des géodésiques a révélé des effets dus aux inhomogénéités sur les distances de diamètre angulaire supérieurs au pourcent au-delà de z=l.

The nature of the accelerated expansion of the Universe is one of the most fundamental question of today’s cosmology. Ontological, legislatives and paradigmatic approaches have been proposed in order to solve this question. However, it is critical to put additional observational constraints in order to break degeneracies. In this context, the imprint of the acceleration of the expansion on large scale structures has a key role to play. This thesis is focused on this imprint and especially on its effects on light propagation. Accordingly to the predictions of general relativity, photons trajectories are curved near clusters, superclusters and galactic filaments causing several observable phenomena : gravitational lensing, gravitational redshift, integrated Sachs-Wolfe effects, time delays … To quantify these effects, the first simulation of structure formation on the scale of the Observable Universe have been run to construct light cones around virtual observers. It allowed us to rephrase the question of numerical simulation in cosmology and to propose new approaches based on template metaprogramming and embedded languages to create codes achieving both genericity and performance. A raytracing code in the weak-field limit based on a new meshing algorithm has been implemented. Finally, the amplitude of the effects of inhomogeneities on angular diameter distance measured using geodesics integration is above one percent beyond z=l.