Cosmologie des théories de gravite modifiées

Formation of large-scale structure in various cosmological scenarios

• Auteur / Autrice : Luca Alberto Rizzo
• Direction : Patrick Valageas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 04/07/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de physique théorique (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1982-....)
• Jury : Président / Présidente : Christian Marinoni
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrick Valageas, Christian Marinoni, David Langlois, Li Baojiu, Valeria Pettorino
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Langlois, Li Baojiu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cosmologie

Modèle Lambda Cold Dark Matter

Structure à grande échelle (astronomie)

Mots clés libres

Cosmologie

Gravite modifiée

Structure grand echelle

Cosmology

Modified gravity

Large scale structure

Résumé

La cosmologie a atteint une ère passionnante. Pour la première fois dans l’histoire humaine, un modèle quantitatif pour la formation et l’évolution de l’Univers existe,expliquant une gamme très variée de phénomènes et ayant été testé avec une impressionnante. De plus, nous sommes à l’aube d’une époque dans laquelle nous aurons à notre disposition une abondance de données de grande qualité, ce qui nous permettra d’utiliser la cosmologie comme un outil pour tester la physique fondamentale.En particulier, comme les structures de grandes échelles de l’Univers sont gouvernées par la force de gravité, la cosmologie peut être utilisée pour tester la théorie de la relativité générale d’Einstein. Cette idée a inspiré la plupart des travaux décrits dans ce manuscrit, dans lequel j’ai étudié des théories alternatives au modèle standard de la cosmologie et des tests à grandes échelles pour la relativité générale.Dans la première partie de ma thèse, je me suis concentré sur les “théories tenseur-scalaire” de la gravité. Ce sont des théories alternatives de la gravité, dans lesquelles un champ scalaire, qui est responsable de l’accélération de l’expansion de l’Univers, est ajouté à l’action de Einstein-Hilbert. Dans le deuxième chapitre, j’ai décrit le modèle de K-mouflage, une “théorie tenseur scalaire”dans laquelle le champ scalaire possède un terme cinétique non-standard, en montrant son effet non négligeable sur la dynamique des amas des galaxies. J’ai aussi montré comment cet effet peut être utilisé pour contraindre le modèle de “K-mouflage” en utilisant des observations en rayon X.En particulier, j’ai montré que le cisaillement cosmique a un pouvoir assez limité actuellement pour contraindre ces théories, à cause de la faible précision des observations actuelles et des dégénérescences avec les processus baryoniques.Dans le cinquième chapitre, j’ai donné une description de mon étude des relations de cohérence. Ce sont des relations entreles fonctions de corrélation des champs cosmiques à (n + 1) et n points, valables aussi dans le régime non-linéaire.Leur intérêt vient du fait que leur dérivation dépend seulement du Principe d’Équivalence et de l’hypothèse de conditions initiales Gaussiennes, et donc elles peuvent être utilisées pour tester ces hypothèses fondamentales du modèle standard de la cosmologie.Des relations similaires ont été étudiées auparavant, mais j’ai montré comment il est possible d’obtenir des relations qui ne s’annulent pas lorsque tous les champs sont considérés au même instant. J’ai utilisé ce résultat pour obtenir des relations de cohérence entre fonctions de corrélation de quantités observables, notamment le champ de densité des galaxies et la fluctuation de température du fond diffus cosmologie donnée par l’effet Sachs-Wolfe. Ces relations peuvent être utilisées pour des tests de la relativité générale,reposant sur des observations par satellites, sans avoir besoin de modéliser la physique des baryons aux petites échelles.Enfin, j’ai donné un aperçu des quelques perspectives possibles pour poursuivre le travail décrit dans ce manuscrit.En particulier, j’ai souligné comment des simulations numérique sont nécessaires pourmieux comprendre la formation des structuresdans le contexte des modèles “K-mouflage” et“ultra-local”. En outre, elles peuvent être aussiutilisées pour tester les hypothèses sous-tendantl’analyse des lentilles gravitationnelles faiblesprésentée dans ce manuscrit, surtout pourdistinguer l’effet de la physique des baryons etdes neutrinos de l’effet des théories de gravitémodifiée sur le cisaillement cosmique. En cequi concerne les relations de cohérence, uneétude de faisabilité de leur mesure avec les“surveys” cosmologiques est nécessaire, pourcomprendre si elles peuvent donner descontraintes compétitives sur les théoriesalternatives de la gravité.

The study of physical cosmology has reached an exciting era. For the first time in human history, a quantitative model for the formation and the evolution of the Universe exists, which explains a wide range of phenomena and has been tested with incredible accuracy during the last century. Moreover, weare approaching a time when a bounty of high quality cosmological data will be available,allowing us to use cosmology as a tool to test fundamental physics.In particular, as the large-scale structures of the Universe are governed by gravity, cosmology can help us to asses the correctness of Albert Einstein’s general relativity. This idea fueledmost of the work described in this manuscript,in which we study alternative theories to the standard cosmological model and large-scale structure tests for general relativity.In particular, we focus on two scalar-tensor theories of gravity, the K-mouflage models described in Chapter 2 and the ultra-localmodels of gravity presented in Chapter 3. The K-mouflage theories are k-essence models with a non-standard kinetic term that were already studied at the linear and background levels. In this manuscript, we extend this description showing how the scalar field, which is responsible for the late time acceleration of the Universe, has a non-negligible impact on cluster dynamics, arguing that future surveysmay have the power of constraining K-mouflage models via X-ray observations. Next,we study the ultra-local models of gravity,where a scalar field with a negligible kinetic term is added to the Einstein-Hilbert action,investigating how the latter modifiescosmological structure formation and howthese models can be related to super-chameleonmodels.In Chapter 4, we present a cosmic shear data analysis in the context of f (R) and Dilaton models, and we show how current data canaccommodate most of the theories considered,once baryonic and neutrino physicsdegeneracies are taken into account. Finally, in Chapter 5 we present an analysis of consistency relations for large-scale structures,which are non-perturbative relations among correlations of cosmic fields. They are alsovalid in the non-linear regime, where very few analytical results are known, and only rely on the Equivalence Principle and primordial Gaussian initial conditions. This makes them a powerful tool to test general relativity and inflationary models using the cosmologic allarge-scale structures.We provide here the first non-vanishing equaltime consistency relations, which we use to obtain consistency relations involving observational quantities.In this Thesis manuscript, we highlight the major results of the full analysis done in the articles that are appended to the main text,where the reader can quench any thirst for technical details.