Clustering Analysis in Configuration Space and Cosmological Implications of the SDSS-IV eBOSS Quasar Sample

Analyse des corrélations spatiales des quasars et implications cosmologiques avec le multi-spectrographe SDSS-IV eBOSS

• Auteur / Autrice : Pauline Zarrouk
• Direction : Etienne Burtin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astroparticules et cosmologie
• Date : Soutenance le 01/10/2018
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Service de Physique Nucléaire (Saclay)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Françoise Combes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Etienne Burtin, Françoise Combes, Shaun Cole, Francis Bernardeau, Jean-Paul Kneib, Martin Kilbinger, Filippo Vernizzi
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Shaun Cole, Francis Bernardeau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Constantes cosmologiques

Structure à grande échelle (astronomie)

Énergie sombre (astronomie)

Mots clés libres

Énergie noire

Oscillations acoustiques de baryons

Distortions dans l'espace des redshifts

Gravité modifiée

Relevé spectroscopique

Baryon acoustic oscillations

Redshift space distortions

Gowth rate of structure

Modified gravity

Spectroscopic survey

Résumé

Le modèle ΛCDM de la cosmologie repose sur l’existence d’une composante exotique, appelée énergie noire, pour expliquer l’accélération tardive de l’expansion de l’univers à z < 0.7. Des alternatives à cette constante cosmologique proposent de modifier la théorie de la gravitation basée sur la relativité générale aux échelles cosmologiques. Depuis l’automne 2014, le multi-spectrographe SDSS-eBOSS effectue un relevé de quasars dans un domaine en redshift peu exploré entre 0.8 ≤ z ≤ 2.2 dont l’un des objectifs majeurs est d’étendre les contraintes sur la nature de l’énergie noire et de tester la validité de la théorie de la relativité générale à plus haut redshift en utilisant les quasars comme traceurs de la matière.Dans cette thèse, nous mesurons et analysons la fonction de corrélation à deux points de l’échantillon de quasars obtenu après deux ans d'observation de eBOSS pour contraindre les distances cosmiques, à savoir la distance angulaire DA et le taux d'expansion H, ainsi que le taux de croissance des structures fσ8 à un redshift effectif Zeff = 1.52. Nous commençons par construire des catalogues des grandes structures qui prennent en compte la géométrie angulaire et radiale du relevé. Puis pour obtenir des contraintes robustes, nous identifions plusieurs sources d’effets systématiques, en particulier ceux liés à la modélisation et aux observations sont étudiées avec des « mock catalogues » dédiés qui correspondent à des réalisations fictives de l’échantillon de quasars eBOSS. Les paramètres cosmologiques de ces catalogues fictifs étant connus, ils sont utilisés comme référence pour tester notre procédure d’analyse. Les résultats de ce travail sur l’évolution des distances cosmiques sont compatibles avec les prédictions du modèle ΛCDM utilisant les paramètres de Planck et basé sur l’existence d’une constante cosmologique. La mesure du taux de croissance des structures est compatible avec la prédiction de ce modèle basé sur la relativité générale, ce qui étend ainsi la validité de la théorie aux échelles cosmologiques à grand redshift. Nous utilisons également notre mesure pour mettre à jour les contraintes sur les modèles d'extensions à ΛCDM et sur les scénarios de gravité modifiée. Ce travail de thèse constitue une première étude menée avec les données de quasars eBOSS et sera utilisée pour l’analyse de l’échantillon final à la fin 2019 ou l’on attend une amélioration de la précision statistique d’un facteur 2. Associé à BOSS, eBOSS ouvrira la voie pour les futurs programmes d’observation, comme le télescope au sol DESI et le satellite Euclid. Ces deux programmes sonderont intensivement l’époque de l’univers entre 1 < z < 2 en observant plusieurs millions de spectres, ce qui permettra d'améliorer d'un ordre de grandeur au moins les contraintes actuelles sur les paramètres cosmologiques.

The ΛCDM model of cosmology assumes the existence of an exotic component, called dark energy, to explain the late-time acceleration of the expansion of the universe at redshift z < 0.7. Alternative scenarios to this cosmological constant suggest to modify the theory of gravitation based on general relativity at cosmological scales. Since fall 2014, the SDSS-IV eBOSS multi-object spectrograph has undertaken a survey of quasars in the almost unexplored redshift range 0.8 ≤ z ≤ 2.2 with the key science goal to complement the constraints on dark energy and extend the test of general relativity at higher redshifts by using quasars as direct tracers of the matter field.In this thesis work, we measure and analyse the two-point correlation function of the two-year data taking of eBOSS quasar sample to constrain the cosmic distances, i.e. the angular diameter distance DA and the expansion rate H, and the growth rate of structure fσ8 at an effective redshift Zeff = 1.52. First, we build large-scale structure catalogues that account for the angular and radial incompleteness of the survey. Then to obtain robust results, we investigate several potential systematics, in particular modeling and observational systematics are studied using dedicated mock catalogs which are fictional realizations of the data sample. These mocks are created with known cosmological parameters such that they are used as a benchmark to test the analysis pipeline. The results on the evolution of distances are consistent with the predictions for ΛCDM with Planck parameters assuming a cosmological constant. The measurement of the growth of structure is consistent with general relativity and hence extends its validity to higher redshift. We also provide updated constraints on extensions of ΛCDM and models of modified gravity. This study is a first use of eBOSS quasars as tracers of the matter field and will be included in the analysis of the final eBOSS sample at the end of 2019 with an expected improvement on the statistical precision of a factor 2. Together with BOSS, eBOSS will pave the way for future programs such as the ground-based Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) and the space-based mission Euclid. Both programs will extensively probe the intermediate redshift range 1 < z < 2 with millions of spectra, improving the cosmological constraints by an order of magnitude with respect to current measurements.