Un spectro-imageur dédié aux observations des anisotropies secondaires du fond diffus cosmologique

A spectro-imager dedicated to the study of the secondary anisotropies of the cosmic microwave background

• Auteur / Autrice : Alessandro Fasano
• Direction : Alessandro Monfardini, Andrea Catalano
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique et milieux dilues
• Date : Soutenance le 23/11/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble, Isère, France ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Johann Collot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rafael Rebolo López
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michel Piat, Carlos De Breuck

Mots clés

Mots clés contrôlés

Galaxies -- Amas

Astronomie -- Instruments

Mots clés libres

Detecteurs

Instrumentation

Supraconductivité

Cosmology

Instrumentation

Superconductivity

Résumé

La cartographie de l’émission du continuum dans le domaine millimétrique est devenue un enjeu majeur de l’astrophysique moderne multi-longueurs d’onde. En particulier, l’imagerie spectrométrique à basse résolution de fréquence est un atout pour caractériser des amas de galaxies via l’effet Sunyaev-Zel’dovich. Des observations multi-longueurs d’ondes ont nécessaires pour séparer les différents composants et pour ajouter des informations complémentaires aux expériences précédentes.L’effet Sunyaev-Zel’dovich est une distorsion de spectre causée par la diffusion Inverse-Compton des photons du fond diffus cosmologique sur le plasma chaud qui compose les amas de galaxies. Ils constituent les structures gravitationnelles les plus massives de l’Univers et sont un traceur direct de la distribution de la matière dans l’Univers. Ils sont la dernière étape de la formation hiérarchique des structures et leur abondance en masse et redshift constitue une excellente sonde de la cosmologie, comme les conditions initiales dans l’Univers primordial et son contenu et son évolution dans le temps, ainsi que l’empreinte directe de l’évolution à grande échelle. Dans ce cadre scientifique, Grenoble a géré une collaboration internationale (impliquante la France, l’Espagne, le Royaume-Uni et l’Italie) pour développer un imager de spectre au sol nommé KISS: KID Interferometer Spectrum Survey. Son objectif principal est d’intégrer les amas de galaxies détectés par le satellite Planck. Cet instrument est basé sur deux arrays de 732 pixels totals de détecteurs à inductance cinétique refroidis à très basse température par un réfrigérateur à dilution. Il couvre la gamme de fréquences électromagnétiques entre 80 et 300 GHz, en utilisant la combinaison d’absorbeurs titane-aluminium et aluminium. Afin de préserver le grand champ de vision instantané, nécessaire pour observer les amas à faible décalage vers le rouge, on utilise est basé sur un spectromètre à transformée de Fourier. Cela représente un défi technologique en raison de la vitesse de balayage rapide nécessaire pour surmonter les effets des fluctuations du fond atmosphérique. KISS est installé et opérationnel au télescope QUIJOTE à Tenerife, depuis février 2019. Dans cette Thèse, je rapporte mes travaux liés à la conception, la caractérisation et l’exploitation de KISS: des croquis d’instruments à ses publications scientifiques.

The mapping of the continuum emission at millimeter wavelengths has become a key issue in modern multi-wavelength astrophysics. In particular, spectrometric-imaging at low frequency resolution is an asset for characterizing clusters of galaxies via the Sunyaev Zel’dovich effect. The Sunyaev Zel’dovich effect is a spectrum distortion caused by the interaction between the Inverse-Compton scattering of Cosmic Microwave Background photons and the hot plasma that composes the galaxy clusters. Multi-wavelength observations are required to separate the different components and to add complementary information to predecessors’ experiments. Galaxy clusters constitute the most massive gravitationally bound structures in the Universe and a direct tracer of the matter distribution. They represent the last stage of hierarchical structure formation and their abundance in mass and redshift constitutes an excellent probe of Cosmology. In addition, they contribute to the knowledge of the initial conditions of the primordial Universe, its contents and evolution, and the direct imprint of the large scale evolution.In this scientific framework, Grenoble has led an international collaboration (involving France, Spain, UK and Italy) to develop a ground-based spectrum-imager named KISS: KID Interferometer Spectrum Survey. Its primary objective is to follow-up some of the galaxy clusters detected by the Planck satellite. KISS is based on two 316-pixel arrays of Kinetic Inductance Detectors cooled at very low temperature by a custom dilution refrigerator-based cryostat. It covers the electromagnetic frequency range between 80 and 300 GHz, by using the combination of titanium-aluminum and aluminum absorbers.In order to preserve the large instantaneous Field of View, needed to observe low-redshift clusters, the spectrometer is based on a Fourier Transform Spectrometer. This represents a technological challenge because of the fast scanning speed that is required to overcome the effects of the atmospheric background fluctuations. KISS is installed and in operation at the QUIJOTE telescope in Tenerife, since February 2019. In this Thesis, I will report my work related to KISS development, characterization and exploitation: from the instrument conception to scientific publications.