Cartographie de la polarisation du fond diffus cosmologique avec la nouvelle génération d'expériences au sol

Making maps of the polarized cosmic microwave background with next generation ground-based experiments

• Auteur / Autrice : Simon Biquard
• Direction : Josquin Errard, Radek Stompor
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'univers
• Date : Soutenance le 26/09/2025
• 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 : Yvonne Becherini
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Belén Barreiro, Nicoletta Krachmalnicoff
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Ponthieu, Jonathan Aumont
• DOI : 10.70675/807abc3fza2c9z407fz83f3zcfa09f4123d2

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cosmologie

Système solaire -- Origines

Fond diffus cosmologique

Analyse des données

Cartographie

Calcul intensif (informatique)

Mots clés libres

Cosmologie observationnelle

Fond diffus cosmologique

Polarisation

Analyse de données

Cartographie

Calcul haute performance

Observational cosmology

Cosmic microwave background

Polarisation

Data analysis

Mapmaking

High performance computing

Résumé

Le fond diffus cosmologique est une pièce centrale de la cosmologie moderne, nous permettant de comprendre l'origine, la composition et l'évolution de l'univers. L'observation de ses anisotropies de température a abouti à des mesures précises des paramètres du modèle standard, Lambda-CDM. Cependant, c'est aujourd'hui l'étude de sa polarisation qui permet de tester les limites de nos prédictions. En effet, celle-ci pourrait porter les traces d'ondes gravitationnelles primordiales, ce qui révolutionnerait notre compréhension de la physique fondamentale. Les observatoires modernes, comme le Simons Observatory, cherchent la réponse à cette question ainsi que de nombreuses autres, telles que la nature des perturbations primordiales, la masse des neutrinos, la formation et l'évolution des galaxies, etc. Pour atteindre la sensibilité requise, ils alignent des dizaines de milliers de détecteurs, tandis que les effets systématiques doivent être contrôlés très précisément, rendant l'analyse des données extrêmement difficile tant du point de vue méthodologique que computationnel. Cette thèse aborde plusieurs défis-clés de la reconstruction du ciel polarisé, ce qui requiert de traiter conjointement la totalité du volume de données. Premièrement, j'évalue les performances de la méthode dite de ''pair-differencing'', qui exploite la disposition du plan focal pour atténuer efficacement les corrélations entre détecteurs. Alors que de précédentes études se sont focalisées sur les effets systématiques différentiels, mon travail quantifie la perte globale de sensibilité par rapport à une reconstruction optimale simultanée des cartes de température et de polarisation. Dans un second temps, je présente une étude de différentes approches pour gérer les données manquantes au sein d'un estimateur de maximum de vraisemblance. Je propose également une approche robuste pour éviter de biaiser les résultats et permettre une reconstruction quasi-optimale du signal à toutes les échelles angulaires.

The cosmic microwave background is a cornerstone of modern cosmology, offering critical insights into the universe's origin, composition, and evolution. While measurements of its temperature anisotropies have precisely determined the parameters of the standard cosmological model, Lambda-CDM, the study of its polarisation anisotropies represents the next frontier. Polarisation data could provide evidence of primordial gravitational waves, which would revolutionise our understanding of fundamental physics and the very early universe. Modern experiments, such as the Simons Observatory, strive to explore this question along with many others, such as primordial perturbations, neutrino masses, galaxy formation and evolution, and so forth. To achieve the required sensitivity, large arrays of detectors are deployed, while exquisite control over systematic effects is needed, making the data analysis extremely challenging from both the methodological and computational points of view. This thesis addresses key challenges in making maps of the polarised sky, which involves dealing with the full size of time-ordered data. Specifically, it first presents an evaluation of the pair-differencing method, which leverages the layout of modern focal planes to mitigate common modes efficiently. While previous studies have focused on differential systematic effects, my work quantifies the overall sensitivity loss compared to an idealised, simultaneous reconstruction of temperature and polarisation maps. Secondly, I investigate methods for handling missing data intervals, known as gaps, within a maximum likelihood estimator. I also propose a robust approach to avoid biases and enable near-optimal recovery across all angular scales.