Cosmologie de précision avec LSST : développement d'un estimateur non biaisé du cisaillement gravitationnel mesuré sur des galaxies

Precision cosmology with LSST : Developement of an unbiased cosmic shear estimator measured on galaxy images

• Auteur / Autrice : Enya Van den Abeele
• Direction : Pierre Astier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'Univers
• Date : Soutenance le 12/09/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• 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 : Laboratoire Physique nucléaire et hautes énergies (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Delphine Hardin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Céline Combet, Pierre-François Léget
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Martin Kilbinger, Stéphanie Escoffier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Grands télescopes

Galaxies -- Amas

Lentilles gravitationnelles

Énergie sombre (astronomie)

Mots clés libres

Cosmologie

Énergie noire

Lentille gravitationnelle faible

Cosmology

Dark energy

Weak lensing

Résumé

La découverte de l'accélération de l'expansion de l'Univers en 1998 bouleversa notre vision des phénomènes physiques qui gouvernent son évolution. La cause de cette accélération s'opposant à l'action attendue de la gravité est nommée « énergie noire » par les cosmologistes, et son origine reste encore aujourd'hui indéterminée. Plusieurs sondes cosmologiques permettent de contraindre l'énergie noire, notamment le cisaillement gravitationnel (cosmic shear), résultat d'un effet de lentille gravitationnelle faible sur des galaxies d'arrière-plan causé par les structures à grande échelle. Sensible à la fois à la distribution de matière et à la géométrie de l'Univers, il est possible d'en faire un outil puissant pour contraindre l'équation d'état de l'énergie noire. La prochaine décennie marque l'entrée dans l'ère de la cosmologie de précision avec le développement de relevés de nouvelle génération tels que LSST. Ce télescope du Vera C. Rubin Observatory est le premier relevé au sol conçu pour les analyses de lentilles gravitationnelles faibles, notamment grâce à sa caméra de 3200 megapixels et son miroir primaire de 8 mètres, qui permettront d'imager le ciel avec à la fois une profondeur et une couverture spatiale inégalées. Au bout de 10 ans, LSST aura observé plusieurs milliards de galaxies, permettant ainsi de réaliser des mesures cosmologiques sans précédent, particulièrement avec le cosmic shear qui nécessite une détection statistique sur un grand nombre de sources. Cependant, la mesure du shear est quelque chose de complexe et associée à de nombreuses sources de systématiques, parmi lesquelles on retrouve la calibration de l'estimateur de formes des galaxies, ou le bruit de grenaille dans les images. En considérant la statistique prévue d'LSST, les différentes sources d'erreurs systématiques doivent être contrôlées au pour-mille afin d'atteindre la précision souhaitée sur l'équation d'état de l'énergie noire. C'est dans ce contexte que s'inscrivent les résultats présentés dans cette thèse. La première partie de ce travail a été de développer un estimateur non biaisé du cisaillement gravitationnel directement à partir des images de galaxies. Les avantages de cette nouvelle méthode sont multiples en comparaison aux méthodes de pointe comme Metacalibration (aujourd'hui état de l'art dans la mesure du shear sur des galaxies) : aucune hypothèse n'est faite sur le profil des sources (la mesure de forme se faisant à partir des seconds moments de la distribution de lumière) et aucune distorsion n'est appliquée à l'image de la galaxie, permettant à la fois d'éviter l'introduction de bruit corrélé dans les estimations ainsi que de réaliser des mesures de shear sur des images sous échantillonnées. La deuxième partie de ce travail s'articule autour de la correction du noise bias, causé par le bruit de grenaille dans les images. Le bruit introduisant un biais dans la mesure de forme, il biaise également les estimations de shear. Les méthodes usuelles de calibration de ce biais se faisant sur des simulations, elles sont sujettes à certaines limites, notamment les hypothèses choisies pour la modélisation des images ou le conséquent temps de calcul nécessaire à la réalisation de boucles Monte Carlo. Pour contourner ces limitations, nous nous sommes penchés sur le développement d'une correction analytique du noise bias à travers le calcul des dérivées du second ordre de l'estimateur de forme. Cette méthode donne des résultats très satisfaisants sur la correction de l'ellipticité des galaxies, ainsi que des résultats prometteurs sur la calibration du shear, nécessitant de plus amples investigations.

The discovery of the accelerating expansion of the Universe in 1998 turned our vision of the physical phenomena governing its evolution on its head. The cause of this acceleration, which opposes the expected action of gravity, is called ''dark energy'' by cosmologists, and its origin remains undetermined to this day. Several cosmological probes can be used to constrain dark energy, including cosmic shear, the result of a weak gravitational lensing effect on background galaxies caused by large-scale structures. Sensitive to both the matter distribution and the geometry of the Universe, it can be used as a powerful tool to constrain the equation of state for dark energy. The next decade marks the dawn of the era of precision cosmology, with the development of next-generation surveys such as LSST. This telescope at the Vera C. Rubin Observatory is the first ground-based survey designed for weak gravitational lensing analyses, thanks in particular to its 3200 megapixel camera and 8-meter primary mirror, which will image the sky with both unrivalled depth and spatial coverage. After 10 years, LSST will have observed several billion galaxies, enabling unprecedented cosmological measurements to be made, particularly with cosmic shear, which requires statistical detection on a large number of sources. However, shear measurement is complex and associated with many sources of systematics, including calibration of the galaxy shape estimator, and shot noise in the images. Considering LSST's expected statistics, the various sources of systematic error need to be controlled to the per mil level in order to achieve the desired accuracy on the dark energy equation of state. This is the background to the results presented in this thesis. The first part of this work was to develop an unbiased estimator of gravitational shear directly from galaxy images. The advantages of this new method compared with state-of-the-art methods such as Metacalibration are manifold: no assumptions are made about the source profile (the shape measurement is based on the second moments of the light distribution) and no distortion is applied to the galaxy image, making it possible both to avoid introducing correlated noise into the estimations and to perform shear measurements on undersampled images. The second part of this work focuses on the correction of noise bias, caused by shot noise in the images. Noise introduces a bias in the shape measurement, and therefore also biases the shear estimations. As the usual methods for calibrating this bias are based on simulations, they are subject to certain limitations, notably the assumptions chosen for image modelling or the consequent computation time required to carry out Monte Carlo loops. To overcome these limitations, we have turned our attention to developing an analytical correction for noise bias by calculating the second-order derivatives of the shape estimator. This method gives very satisfactory results for galaxy ellipticity correction, as well as promising results for shear calibration, but requires further investigation.