Régime non-linéaire de formation des structures cosmiques : empreintes sur la covariance du spectre de puissance et dynamique des inhomogénéités d'énergie noire

by Linda Blot

Doctoral thesis in Astronomie et astrophysique

Under the supervision of Pier Stefano Corasaniti.

defended on 2015

in Observatoire de Paris (1667-....) , under the authority of École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....) , in a partnership with LUTH Laboratoire Univers et Théories (Observatoire de Paris - Section de Meudon) (laboratoire) .

Thesis committee President: Simona Mei.

Thesis committee members: Pier Stefano Corasaniti, Lauro Moscardini, William J. Percival, Hervé Dole, Filippo Vernizzi.

Examiners: Lauro Moscardini, William J. Percival.

Alternative Title

Non-linear regime of cosmic structure formation : imprints on the covariance of the power spectrum and dynamics of Dark Energy inhomogeneities

Abstract

In the near future numerous galaxy surveys are going to provide cartography of the distribution of matter in the Universe, with which it will be possible to constrain the cosmological parameters with an unprecedented precision. Upcoming surveys have been conceived to understand the nature of dark energy, a component of which we have postulated the existence to explain the acceleration of the expansion of the Universe. This thesis is placed in this context, using N-body simulations as tool to link observations to the theory of cosmic structure formation in non-linear regime. On one side I am going to explore the impact of non-linear effects on the estimation of cosmological parameters. This requires the computation of the covariance matrix of the matter power spectrum. The estimation of this matrix using simulations allows the quantification of the importance of non-linear effects that, if neglected, can bias the results or lead to an under-estimation of the statistical errors on the cosmological parameters. On the other side, I am going to present the numerical methods to solve the evolution of a dark energy fluid with perturbations that a very low speed of propagation with respect to the speed of light. In this case, dark energy cannot be treated as a homogeneous fluid and its evolution has to be followed in the non-linear regime together with the dark matter component. These numerical methods, once coupled to an N-body code, will allow the production of the first simulations of the evolution of an inhomogeneous dark energy model.

keywords

• Énergie sombre (astronomie)
• Cosmologie
• Matière noire (astronomie)
• Analyse numérique

Abstract

Dans le futur proche, de nombreux sondages de galaxies fourniront une cartographie de la distribution de la matière dans l’univers, avec laquelle il sera possible de contraindre les paramètres cosmologiques avec une précision inégalée. Ces sondages ont été conçus pour comprendre la nature de l’énergie noire, une composante dont on a supposé l’existence pour expliquer l’accélération de l’expansion de l’Univers. Cette thèse se place dans ce contexte, en utilisant les simulations N-corps comme outil pour relier aux observations la théorie de la formation des structures cosmiques dans le régime non-linéaire. D’un côté je vais explorer l’impact des effets non-linéaires sur l’estimation des paramètres cosmologiques. Celle-ci nécessite le calcul de la matrice de covariance du spectre de puissance de matière. L’estimation de cette matrice au moyen des simulations permet de quantifier l’importance de ces effets qui, si négligés, peuvent biaiser les résultats ou amener à une sous-estimation des erreurs statistiques sur les paramètres cosmologiques. De l’autre, je vais présenter les méthodes numériques pour résoudre l’évolution d’un fluide d’énergie noire dans le cas où les perturbations ont une vitesse de propagation très faible devant celle de la lumière. Dans ce cas, l’énergie noire ne peut être traitée comme un fluide homogène et son évolution doit être suivie dans le régime non-linéaire en même temps que celle de la matière noire. Ces méthodes numériques, une fois couplées avec un code N-corps, permettront de produire les premières simulations de l’évolution cosmique d’un modèle d’énergie noire in-homogène.