Thèse soutenue

Impact des inhomogénéités cosmiques sur le FDC : perturbations primordiales dans les cosmologies en rebond à deux champs et champs magnétiques dans les structures récentes

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Auteur / Autrice : Nadège Lemarchand
Direction : Julien Grain
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
Date : Soutenance le 12/12/2019
Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'astrophysique spatiale (Orsay, Essonne ; 1990-....)
établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
Jury : Président / Présidente : Nabila Aghanim
Examinateurs / Examinatrices : Julien Grain, Nabila Aghanim, Carlos Hernández-Monteagudo, Hiroyuki Tashiro, Giulio Fabbian, Aurélien Barrau
Rapporteur / Rapporteuse : Carlos Hernández-Monteagudo, Hiroyuki Tashiro

Résumé

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Le Fond Diffus Cosmologique (FDC) est une sonde cosmologique clé mettant des contraintes étroites sur le modèle CDM de l’Univers. Emis 380000 ans après le big bang, il montre de petites anisotropies en température et en polarisation qui tracent les inhomogénéités cosmiques à différentes époques de l’Univers. D’une part, les anisotropies primaires donnent accès à l’inflation durant laquelle les perturbations primordiales sont générées. D’autre part, les anisotropies secondaires tracent les inhomogénéités dans l’Univers récent, qui ont évolué en grandes structures sous l’action de la gravité, à partir des inhomogénéités primordiales. Ainsi les anisotropies du CMB sont une sonde puissante à la fois de l’origine des inhomogénéités dans l’Univers très jeune, et de leur état évolué dans l’Univers récent. Cette thèse porte sur deux aspects des inhomogénéités: d’abord leur production dans une extension du scénario inflationnaire, puis la prédiction de l’impact des champs magnétiques des grandes structures sur les anisotropies secondaires polarisées du FDC.Malgré ses succès, l’inflation ne résout pas le problème de la singularité initiale du big bang, où la gravité pourrait être quantique. En Cosmologie Quantique à Boucles (CQB), cette singularité est remplacée par un rebond quantique. La CQB à un champ avec potentiel quadratique a déjà été étudiée et prédit une phase d’inflation suivant le rebond. Les perturbations primordiales ne sont plus seulement produites pendant l’inflation, mais aussi pendant le rebond et la contraction le précédant. Ici, j’ai considéré une extension à deux champs de la CQB avec un champ massif comme inflaton, et un champ sans masse servant d’horloge interne. J’ai d’abord étudié l’évolution globale de l’Univers de manière analytique et numérique, montrant que loin dans la contraction, le champ massif domine le contenu énergétique. J’ai aussi vérifié que l’inflation reste probable, malgré la présence du champ sans masse. Puis, j’ai examiné la production de perturbations: contrairement au cas à un champ, en plus de la composante adiabatique standard, elles sont ici décrites par une composante isocourbe, caractéristique des modèles multi-champs et pour laquelle Planck a mis des limites supérieures. Loin dans la contraction, ces deux composantes sont hautement couplées. J’ai montré comment fixer leurs conditions initiales en utilisant des variables combinant les deux types de perturbations, rendant le couplage sous-dominant. Il reste maintenant à les propager à travers le rebond jusqu’à la fin de l’inflation pour obtenir leurs spectres de puissance (croisé), à comparer ensuite aux contraintes observationnelles.Depuis son émission, le FDC a voyagé à travers les grandes structures avant de nous atteindre. Son interaction avec les structures engendre des anisotropies secondaires, comme celles dues à l’effet SZ dans les amas. Des plasmas magnétisés ont été observés dans les galaxies et les grandes structures. Cela devrait engendrer de la Rotation Faraday (RF) de la polarisation linéaire primordiale, transformant des modes E en B, et de la Conversion Faraday (CF) de la polarisation linéaire en circulaire. J’ai revisité ces sources d’anisotropies en calculant les spectres de puissance angulaires de l’angle de RF et du taux de CF par les grandes structures. J’ai utilisé le modèle de halo en me focalisant sur l’impact des projections des champs magnétiques. Les spectres piquent à des multipoles 104 et sont proportionnels à 83, en supposant un champ magnétique indépendant de la masse du halo. Cette dépendance est cependant dégénérée avec celle qui existe entre les champs magnétiques et la masse des halos. Puis, je détaille le calcul des spectres de puissance angulaires totaux des anisotropies polarisées, à partir de ceux de la RF et de la CF. Enfin, je montre comment reconstruire les champs de RF et de CF à partir du FDC en adaptant les estimateurs développés pour la reconstruction du lentillage gravitationnel.