Thèse soutenue

Non-gaussianité primordial dans le fond diffus cosmologique et dans la structure à grande échelle
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Auteur / Autrice : Thomas Montandon
Direction : Guillaume PatanchonBartjan Van Tent
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique de l'univers
Date : Soutenance le 08/11/2021
Etablissement(s) : Université Paris Cité
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AstroParticule et Cosmologie (Paris ; 2005-....)
Jury : Président / Présidente : Karim Benabed
Examinateurs / Examinatrices : Guillaume Patanchon, Bartjan Van Tent, Karim Benabed, Ruth Durrer, Michele Liguori, James Bartlett
Rapporteurs / Rapporteuses : Karim Benabed, Ruth Durrer

Résumé

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L'inflation est la plus ancienne période de l'histoire de notre univers corroborée par les observations. Le modèle le plus simple consiste en une phase durant laquelle l'univers a été dominé par un unique champ scalaire produisant une expansion accélérée. La dynamique de l'inflation permet d'expliquer l'homogénéité, l'isotropie et la platitude de notre univers. L'inflation permet aussi de générer des petites perturbations adiabatiques et quasi-gaussiennes. L'adiabaticité signifie qu'aucune fluctuation de composition ou de vitesse relative, appelée modes isocourbure, ne peut être générée. Une extension naturelle du modèle à un champ est de considérer plusieurs champs: l'inflation multi-champs. Dans ces modèles, il est possible de générer des modes isocourbure, ainsi que des non-gaussianités mesurables. Une signature caractéristique des non-gaussianités de l'inflation multi-champs, appelées PNG locales, est un grand couplage entre les grandes et les petites échelles, appelé limite squeezed. Le fond diffus cosmologique (CMB) est un rayonnement qui a été émis 380 000 ans après l'inflation. L'observation des anisotropies de température et de polarisation du CMB permettent de poser de fortes contraintes sur la gaussianité et l'adiabaticité des conditions initiales. La collaboration Planck a ainsi donné les plus fortes contraintes, montrant que les conditions initiales sont compatibles avec un univers purement adiabatique et gaussien. Dans cette thèse, nous proposons la première analyse jointe du spectre de puissance et du bispectre du CMB pour les modes isocourbure dans le cadre d'un modèle générique d'inflation à deux champs. Dans le cadre général, l'absence de détection dans les données Planck empêche les contraintes d'être améliorées pour les modes isocourbure. En revanche, pour des sous-classes de modèles, les contraintes peuvent être améliorées et nous donnons les conditions dans lesquelles c'est possible. Ensuite, nous produisons des contraintes prévisionnelles pour les futures missions CMB LiteBIRD et CMB-S4. Nous montrons que l'amélioration des contraintes pourra donner lieu à une détection de modes isocourbure et de leurs non-gaussianités. Dans des conditions que nous spécifions, l'analyse jointe pour ces futures missions pourra améliorer grandement les barres d'erreur sur les modes isocourbure. Une autre observable complémentaire est la structure à grandes échelles (large-scale structure LSS). Les futures relevés de galaxies devraient grandement améliorer les contraintes sur les PNG. Pour obtenir une mesure de précision dans la limite squeezed, nous avons besoin d'une grande précision pour les très grandes échelles tout comme les petites, ce qui rend cette mesure extrêmement difficile. Aux grandes échelles, les effets relativistes (RE) deviennent importants et aux petites échelles, les non-linéarités deviennent très grandes. Les calculs au deuxième ordre montrent que les RE sont dégénérés avec les PNG locales et qu'ils possèdent la même dépendance temporelle. A cause de cette dependence temporelle, les RE ne peuvents pas être négligés dans les conditions initiales des simulations à N-corps. Dans la dernière partie de cette thèse, nous décrivons le code que nous avons développé: RELIC. Ce code permet de générer des conditions initiales relativistes jusqu'au deuxième ordre pour les simulations à N-corps. En négligeant les couplages entre les petites échelles, RELIC peut générer les conditions initiales pour de grandes simulations en un temps raisonnable. La théorie des perturbations nous permet ensuite de calculer tous les champs utiles pour initialiser la simulation à N-corps gevolution. L'analyse des conditions initiales générées par RELIC et reconstruites par gevolution montrent un bon accord à grandes échelles et dans la limite squeezed. Nous avons ainsi construit une pipeline, prenant en compte les RE et les non-linéarités, essentielle pour quantifier les contaminations des PNG locales qu'ils génèrent.