Caractérisation de l'Énergie Sombre : mesure précise de l'expansion récente de l'Univers avec le Zwicky Transient Facility

Characterization of Dark Energy : precision measurements of the recent expansion history with the Zwicky Transient Facility (ZTF-II)

• Auteur / Autrice : Leander Lacroix
• Direction : Nicolas Regnault
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'Univers
• Date : Soutenance le 15/01/2025
• 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 : Sophie Trincaz-Duvoid
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ariel Goobar
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Charles Cuillandre, Dominique Fouchez
• DOI : 10.70675/62985340z9de4z42d8z9a69z0bed0be55e21

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergie sombre (astronomie)

Supernovae

Photométrie astronomique

Cosmologie

Astronomie -- Instruments

Mots clés libres

Cosmologie

Supernova Ia

Photométrie

Métrologie

Instrumentation

Cosmology

Supernova Ia

Photometry

Metrology

Instrumentation

Résumé

La découverte observationnelle du Fond Diffus Cosmologique et de l'expansion accélérée de l'Univers à la fin du XXe siècle a conduit à l'établissement du premier modèle de concordance en cosmologie, appelé ΛCDM (Lambda Cold Dark Matter).Ce modèle décrit un Univers principalement composé d'Énergie Noire, responsable de l'accélération cosmique, de Matière Noire, structurant les grandes échelles, et enfin de matière baryonique, essentiellement constituée de matière normale, le tout évoluant dans le cadre de la Relativité Générale. Caractériser la dynamique de l'Énergie Noire, via des contraintes sur son Équation d'État, est l'une des principales missions de la cosmologie observationnelle. Les supernovas de type Ia (SNe Ia) jouent un rôle fondamental dans la caractérisation de l'Énergie Noire en tant que chandelles standards, car il est relativement facile d'en inférer une distance. Cartographier la relation distance-redshift des objets composant l'Univers, via ce que l'on appelle un diagramme de Hubble, permet d'évaluer directement l'histoire de l'expansion. Des études récentes, basées sur les SNe Ia et les Oscillations Acoustiques des Baryons, montrent une légère tension par rapport au modèle canonique ΛCDM. Le projet Lemaitre est né dans ce contexte. Il vise à établir un nouveau diagramme de Hubble à partir des ensembles de données ZTF, SNLS-Y5 et Subaru qui n'ont jamais été utilisés dans de précédentes études cosmologiques. De plus, une nouvelle chaîne d'analyse a été développée, permettant ainsi une analyse véritablement indépendante. Ce lot de données constitue également le plus grand échantillon de SNe Ia jamais analysé. Le Zwicky Transient Facility (ZTF) est un relevé photométrique hébergé à l'observatoire de Palomar. Son échantillon de SNe Ia vise à couvrir la partie basse du redshift, z < 0.1, du diagramme de Hubble de Lemaitre, précisément là où cette sonde est la plus sensible à l'Énergie Noire. Grâce à son spectrographe à champ intégral dédié, ZTF a détecté, typé et suivi un très grand nombre de trensients. Le groupe de travail cosmologie de ZTF a défini l'ensemble de données DR2 comme un échantillon de SNe Ia spectroscopiquement confirmés et méthodiquement sélectionnés, avec environ 3,600 objets. Cet échantillon constitue l'une des pierres angulaires du projet Lemaitre. Cette thèse porte sur le développement d'un pipeline de photométrie permettant d'extraire les courbes de lumière des SNe Ia à partir des données ZTF, via une méthode appelée scene modeling. Cette approche, basée sur une description mathématique de la ''scène'' autour de la SN qui permet une extraction statistiquement optimale des courbes de lumière. La principale force de cette méthode réside dans sa capacité à calibrer directement le flux de la SN sur celui des étoiles de son champ. Une grande importance a été accordée aux performances du code de calcul. Ainsi, le pipeline est capable de traiter l'ensemble de l'échantillon ZTF DR2, représentant environ 180 To, dans des délais raisonnables (1 à 2 semaines sur la grille de calcul de l'IN2P3), des pixels bruts jusqu'aux courbes de lumière calibrées. Elle a également été utilisée pour extraire les courbes de lumière des étoiles de calibrations. Ce travail a également permis d'identifier un effet inattendu au niveau des CCD, provoquant une non-linéarité photométrique dépendant de la position sur le plan focal et du temps. Cet effet déforme essentiellement la forme des étoiles faibles. Décrire et caractériser cet effet a nécessité le traitement d'une partie significative des données ZTF. Un modèle et une correction provisoire ont ainsi été développés et sont en cours de validation. Enfin, un effort important a été consacré à la caractérisation de l'uniformité de la caméra ZTF à l'aide de starflats.

The observational discovery of the Cosmic Microwave Background and the accelerated expansion of the Universe at the end of the 20th century resulted with the establishment of the first concordance model of cosmology, called ΛCDM (Lambda Cold Dark Matter).It describes the Universe principally composed of Dark Energy (DE), Λ, driving the cosmic acceleration, Dark Matter (CDM), structuring the large scale structures and finally baryonic matter, essentially composing normal matter, evolving in the frame of General Relativity. Characterizing the dynamics of DE, through constraints of its Equation of State, is one of the main quest of observational cosmology. Type Ia Supernovae (SNe Ia) play a fundamental role in the characterization of DE as standard candle, as a distance can be inferred relatively easily. Indeed, mapping the distance to redshift relationship of objects composing the Universe, through a so called Hubble diagram, gives a direct assessment of the expansion history. Recent studies, based on SNe Ia and Baryonic Accoustic Oscillations, show a weak tension to the canonical ΛCDM. The Lemaitre project is born in this context. It aims to establish a novel Hubble diagram out of the ZTF, SNLS-Y5 and Subaru SNe Ia datasets, which have never been used in any cosmological studies before. Furthermore, a new analysis pipeline has been developed from the ground up, thus achieving a truly independent analysis from these precedent studies. This dataset also constitutes the biggest SNe Ia sample ever analyzed. The Zwicky Transient Facility (ZTF) is an ongoing high cadence low depth photometry survey of the northern sky, hosted in the Palomar observatory. Its SNe~Ia sample aims to cover the low redshift part, z < 0.1, of the Lemaitre Hubble diagram, precisely where this probe is the most sensible to DE. Thanks to its dedicated Integral Field Spectrograph (IFS), ZTF has detected, typed and followed a very important number of transient events. The ZTF cosmology working group has defined the DR2 dataset as a curated spectroscopically confirmed SNe Ia sample, covering 3 years of ZTF data, with around 3,600 objects. This sample is one of the cornerstones of the Lemaitre project. This thesis is about the development of a photometry pipeline to efficiently extract SNe Ia light curves from the ZTF data, through a method named scene modeling. This approach, based on a mathematical description of the ''scene'' around the SN (its flux and galaxy background), enables a statistically efficient light curve extraction with a better dispersion compared to traditional approaches. The main strength of this method is its ability to directly calibrate the SN flux on to its field stars. A heavy accent is given on the performance of the computation code. As a result, the pipeline is able to process the whole ZTF DR2 sample, which represents around 180 TB, in tractable times (1 to 2 weeks on the IN2P3 compute grid), from raw pixels to calibrated light curves. It has also been used to extract light curves of calibrator stars. This work also enabled us to identify an unexpected sensor level effect, causing a photometry non-linearity in a focal plane position and time dependent fashion. This effect essentially skews the shape of faint stars. Describing and characterizing this effect necessitated the processing of a significant part of the ZTF data. Thanks to this effort, a tentative model and correction have been developed and is being successfully tested. Finally, a large effort has been given to the characterization of the ZTF camera non-uniformity through the use of starflats. This work, with its focus on performance, scalability and precision, also layers the foundation for the next generation of SNe Ia surveys such as Rubin-LSST, which will see a x10 increase in data size and thus propel the field in the next era of precision cosmology.