Signatures cosmologiques de l'époque de la réionisation

Cosmological signatures of the Epoch of Reionisation

• Auteur / Autrice : Adélie Gorce
• Direction : Marian Douspis, Jonathan K. Pritchard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 23/09/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'astrophysique spatiale (Orsay, Essonne ; 1990-....)
• Jury : Président / Présidente : Hervé Dole
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cathryn Trott, Saleem Zaroubi, Anastasia Fialkov, Garrelt Mellema, Matthieu Tristram
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cathryn Trott, Saleem Zaroubi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fond diffus cosmologique

Cosmologie

Mots clés libres

Cosmologie

Réionisation, premières étoiles

Fond diffus cosmologique

Signal à 21cm

Cosmology

Reionization, first stars

Dark ages

Cosmic background radiation

21cm signal

Résumé

La réionisation cosmique, pendant laquelle les premières étoiles ionisent les atomes du milieu intergalactique, est encore méconnue. Dans ce travail, je développe des outils permettant d’améliorer l’analyse et l’interprétation des données pour mieux comprendre cette époque. M’intéressant au processus global dans un premier temps, je donne un scénario de référence pour la réionisation, fondé sur quelques hypothèses simples à propos de l’Univers jeune, mené par les galaxies, et qui pour la première fois est en accord avec toutes les données disponibles. Cependant, la réionisation intervient également à de plus petites échelles, et s’intéresser à la façon dont les galaxies ionisent leur environnement immédiat peut nous renseigner sur leurs propriétés physiques. C’est pourquoi dans un second chapitre, j’introduis des outils statistiques innovants qui pourront être appliqués à des cartes d’intensité du signal à 21cm et aux observations à petites échelles du fond diffus cosmologique. Ces méthodes sont conçues spécialement pour l’étude de la réionisation, et plus particulièrement pour être robustes aux contraintes liées à l’observation du signal 21cm. Elles sont disponibles publiquement. Enfin, je présente les limites de mes différents outils, liées à la fois aux méthodes d’observation elles-mêmes, ainsi qu’à des erreurs de modélisation. Avec ce travail, j’ouvre la voie à une analyse cosmologique cohérente des données qui permettra d’obtenir, une fois que la nouvelle génération de télescopes aura donné ses premiers résultats, une compréhension à la fois globale et locale de la réionisation, c’est-à-dire nous renseignant sur l’Univers dans son intégralité, mais également sur la nature de ses premières sources de lumière.

The Epoch of Reionisation, when the first galaxies slowly ionise the atoms of their surrounding intergalactic medium is still poorly known. During my PhD, I have developed new ways to constrain reionisation, in order to improve the analysis and interpretation of current and future observations. Choosing an outside-in approach, I first give a simple, comprehensive history of reionisation, finally able to fit all the available data, where few galaxies perform the full IGM reionisation and based on reasonable assumptions on the nature of the highredshift Universe. However, reionisation is not only a large-scale process, and we can learn about the properties of the first stars and galaxies when looking at how they ionise their immediate surroundings, on scales of a few hundreds of megaparsecs. In this perspective, in a second chapter, I introduce new statistical tools to be applied to small-scale data, from intensity mapping of the 21cm signal of neutral hydrogen to high-multipole CMB observations. These methods are designed to study reionisation, and in particular to be robust to instrumental effects, a central issue of 21cm observations. In the last chapter, I discuss the observations- and modelrelated limitations of current results, by looking at the way poorly known parameters impact our current scenarios of reionisation and by proposing unbiased and efficient observational strategies. In these three years of work, I have developed new tools, designed for the study of the EoR, namely to overcome specific model- and observations-related limitations, and made them available for the community. Doing so, I have paved the way for a clean cosmological analysis of reionisation data. Once next-generation data is available, these methods will give reliable constraints on the global and local history of cosmic reionisation, telling us about the Universe as a whole and about the nature of its early light sources.