Implications cosmologiques et astrophysiques de la structure interne des halos de matière noire

Cosmological and astrophysical implications of the internal structure of dark matter halos

• Auteur / Autrice : Tamara Richardson
• Direction : Pier Stefano Corasaniti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 26/09/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LUTH Laboratoire Univers et Théories (Observatoire de Paris - Section de Meudon ; 2002-2024)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Observatoire de Paris (1667-....)
• Jury : Président / Présidente : Benoît Semelin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pier Stefano Corasaniti, Marco De Petris, Benoit Famaey, Sandrine Pires, Sandrine Codis-Decara, Jean-Baptiste Melin, Emmanuel Nezri
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marco De Petris, Benoit Famaey

Mots clés

Mots clés contrôlés

Galaxies -- Amas

Matière noire (astronomie)

Cosmologie

Mots clés libres

Cosmologie

Amas de Galaxies

Halos

Matière Noire

Simulations N-Corps

Cosmology

Galaxy Clusters

Haloes

Dark Matter

N-Body Simulations

Résumé

À une époque de tensions en cosmologie, les amas de galaxies offrent une opportunité unique et renaissante pour apporter de nouvelles réponses aux débats. Étant les structures gravitationnellement liées les plus massives de l'Univers, les amas de galaxies se situent à la frontière entre la cosmologie et l'astrophysique, et sont à présent bien établies en tant que sonde cosmologique grâce à leurs abondances et leur `clustering'.Dans cette thèse, nous examinons l’utilisation potentiel de la structure interne des amas de galaxies en tant que nouvelle sonde à la fois, du modèle cosmologique et des processus astrophysiques qui ont lieu à l'intérieur de ces objets. Précisément nous caractérisons la structure interne par le biais d'un proxy non paramétrique de la forme du profile de masse que nous nommons `halo sparsity', définis comme étant simplement le rapport de deux masses.Nous montrons que l'utilisations de la sparsity permet de jauger l'impact de collisions et fusions d'amas ainsi que de concevoir une approche statistique permettant de rapidement détecter ces évènements dans les catalogues de grands relevés, en fournissant aussi une estimation préliminaire de l’époque à laquelle ces évènements ont eu lieu. De plus, nous quantifions la dépendance cosmologique de la sparsity nous permettant d’améliorer mais aussi de créer une nouvelle méthode pour contraindre les paramètres cosmologiques du modèle ΛCDM. Enfin, nous franchissons les premières étapes permettant d’amener cette sonde au-delà du domaine des nouveautés théorique en étudiant comment elle est affectée par diverses contraintes observationnelles. En particulier, nous examinons l’impact des traceurs de masse biaisés, des hypothèses faites par les pipelines observationnels, des incertitudes sur les mesures de masses ainsi que la possibilité de combiné la sprasity avec d’autres sondes cosmologiques.

At a time of tensions in cosmology, galaxy clusters provide a unique and renewed avenue to possibly settle debates. As the largest gravitationally bound structures in the Universe, galaxy clusters find themselves at the interface between cosmology and astrophysics, and are now well established probes of the cosmological model through their abundances and clustering.In this work, we investigate the potential of using the internal structure of galaxy clusters as a novel probe of both the underlying cosmology and the astrophysical processes which take place within these objects. Specifically, we characterise the internal structure through the shape of the mass profile which we quantify using a non-parametric proxy which we call halo sparsity, simply defined as the ratio of two masses.We show how the use of sparsity can gauge the impact of individual merger events and design a statistical approach to quickly detect recent events in large survey catalogues while also providing a preliminary estimate of the time at which these mergers took place. Furthermore, we quantify the cosmology dependence of halo sparsity allowing us to improve and design a novel approach to constrain the Lambda CDM cosmological parameters.Finally, we begin to take this probe beyond the realm of theoretical oddities by investigating how it is affected by observational constraints. In particular, we study the impact of biased mass tracers, observational pipeline assumptions, mass measurement uncertainties as well as the possibility of combining halo sparsity with other cosmological probes.