Large surveys : from galaxy evolution to cosmological probes

par Louis, Legrand

Thèse de doctorat en Astronomie et Astrophysique

Sous la direction de Marian Douspis et de Nabila Aghanim.

Le président du jury était Martin Kilbinger.

Le jury était composé de Stéphanie Escoffier, Carlo Baccigalupi, Sylvain de La Torre, Jean-Christophe Hamilton.

Les rapporteurs étaient Stéphanie Escoffier, Carlo Baccigalupi.

  • Titre traduit

    Grands relevés : de l'évolution des galaxies aux sondes cosmologiques


  • Résumé

    Les grands relevés de galaxies sont des fenêtres ouvertes sur notre Univers: ils nous offrent de précieuses informations sur son contenu et sur son évolution. D'une part les relevés profonds explorent la formation et l'évolution des galaxies. D'autre part, les relevés à grand champ cartographient la distribution de la matière dans le but de comprendre la nature de l'énergie noire et de la matière noire.Au cours de cette thèse, j'explore les capacités offertes par ces relevés afin de répondre aux questions suivantes:1. Quels sont les principaux moteurs de l'évolutions des galaxies ? 2. Quelles progrès dans notre connaissance de l'Univers seront apportés par les futurs relevés de galaxies ? Je commence par déterminer la relation entre la masse stellaire et la masse des halos de matière noire des galaxies en utilisant des mesures précises de la fonction de masse stellaire dans le champ COSMOS. Grâce à l'exhaustivité du relevé COSMOS entre z ~0.2 et z ~ 5, j'obtiens pour la première fois cette relation sur une aussi grande gamme de redshifts à partir d'un seul relevé.Je constate que la masse de halo caractéristique, définie comme maximisant le rapport entre la masse stellaire et la masse du halo, augmente entre z=0 et z=2.3 et reste stable jusqu'à z = 4.Cette augmentation de la masse de halo caractéristique met en lumière le rôle des flux de gaz froid comme moteurs de la formation des galaxies à grand redshift. Afin d'approfondir ce sujet, je combine des observations de la teneur en gaz moléculaire froid des galaxies jusqu'à z=4, avec la relation entre masse stellaire et masse du halo de matière noire. Je constate que l'évolution de la fraction de masse du gaz froid est en accord avec l'hypothèse selon laquelle les apports de gaz froid sont responsables de la plus grande efficacité de formation des galaxies à grand redshift dans les halos massifs.Ensuite, dans le but de maximiser les contraintes cosmologique qui seront apportées par les prochains grands relevés spectroscopiques, je montre qu'une nouvelle observable, les fluctuations angulaires de redshift (ARF), apportent des informations complémentaires par rapport au traditionnel ``angular galaxy clustering''. Grâce à leurs sensibilités particulières au champ de vélocité de la matière, je montre que les dégénérescences entre les paramètres cosmologiques et de biais des galaxies sont différentes lorsqu'elles se basent sur les ARF ou sur le ``angular galaxy clustering''. Dès lors, la combinaison des deux observables permet de lever des dégénérescences et d'améliorer les contraintes, d'un facteur au moins deux, sur la plupart des paramètres des modèles ^CDM et wCDM.Finalement, en tant que membre de la collaboration Euclid, j'ai exploré le potentiel cosmologique de ce futur relevé de galaxies. Ce relevé nous permettra de mesurer très précisément la distribution de la matière sur tout le ciel extra-galactique. Dans le but d'exploiter entièrement tout son potentiel, il est crucial de le combiner avec les futurs relevés du CMB.J'utilise le formalisme de Fisher afin de prédire l'intérêt d'une analyse combinée des sondes CMB avec les sondes Euclid. Je teste à la fois le modèle ^CDM standard et ses extensions, et montre que le CMB améliorera les contraintes d'un facteur au moins deux sur la plupart des paramètres cosmologiques, et notamment sur les modèles d'énergie noire alternatifs, qui font partie des intérêts majeurs pour Euclid.


  • Résumé

    Large galaxy surveys are like open windows on our Universe: they provide precious insights on its components and on its evolution. On the one hand, pencil surveys go deep into the cosmos to explore the formation and evolution of galaxies. On the other hand, wide surveys are mapping the distribution of matter on large scales to understand the nature of dark energy and dark matter.During my thesis, I explore the capabilities of these large surveys to address the following questions:1. What are the main drivers of galaxy evolution? 2. What improvements on our knowledge of the Universe will be brought by upcoming wide galaxy surveys? Using precise galaxy stellar-mass function measurements in the COSMOS field, I first determine the stellar-to-halo mass relation through a parametric abundance matching technique. Thanks to the completeness of the COSMOS survey from z ~ 0.2 to z ~ 5, I obtain for the first time this relation over such a large redshift range from a single coherent sample.I find that the ratio of stellar-to-halo mass content peaks at a characteristic halo mass which increases up to z = 2.3 and remains flat up to z = 4.This steady increase of the characteristic halo mass questions the role of cold gas inflows as drivers of galaxy formation at high redshift.To address this question, I link observations of the cold molecular gas content in galaxies up to z = 4 to the evolution of the dark matter halo mass. I find that the joint evolution of cold gas mass fraction and halo mass is in agreement with the hypothesis of cold gas inflows being responsible of efficient galaxy formation at high redshift.With the scope of maximising the cosmological power of next generation spectroscopic surveys, I show that a novel cosmological observable, the angular redshift fluctuations (ARF) will provide complementary cosmological information in addition to the standard angular galaxy clustering. Due to its distinct sensitivity to the peculiar velocity field, I find that the cosmological and galaxy bias parameters express different degeneracies when inferred from ARF or from angular galaxy clustering.As such, combining both observables breaks these degeneracies and greatly decreases the marginalised uncertainties, by a factor of at least two on most parameters in the ^CDM and wCDM models.As part of the Euclid collaboration, I then investigate the cosmological power of the upcoming Euclid survey, which will offer us an exquisite measurement of the matter distributions on the full extra-galactic sky.In order to fully exploit all the potential of the Euclid survey it is crucial to combine it with upcoming CMB surveys.I use the Fisher formalism to forecast the benefits of performing a joint analysis of CMB probes with Euclid main probes (weak lensing and galaxy clustering). I test both the standard cosmological model, ^CDM, and its extensions, and show that CMB will improve the constraints by a factor two on most cosmological parameters, and most notably on dark energy modified models which are of key interest for Euclid.


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