Neutrinos et matière noire à la lumière des quasars

Neutrinos and dark matter cosmology with the Lyman-α forest : the interplay between large-scale evolution and small-scale baryonic physics

• Auteur / Autrice : Solène Chabanier
• Direction : Nathalie Palanque-Delabrouille, Frédéric Bournaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astroparticules et cosmologie
• Date : Soutenance le 01/10/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Astrophysique Instrumentation Modélisation (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2005-....) - Département de physique des particules (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Françoise Combes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Romain Teyssier, Joseph Hennawi, Jérémy Blaizot, Patrick Valageas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Romain Teyssier, Joseph Hennawi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matière noire (astronomie)

Neutrinos

Cosmologie

Baryons

Mots clés libres

Physique des baryons

Relevé spectroscopique

Neutrinos

Matière noire

Lyman-alpha

Simulations numériques

Baryonic physics

Spectroscopic survey

Neutrinos

Dark matter

Lyman-alpha

Numerical simulations

Résumé

Bien que le modèle cosmologique standard LCDM offre un cadre remarquablement en accord avec de nombreuses observations indépendantes, beaucoup de mystères persistent. En particulier, la masse des neutrinos est toujours inconnue. De par leur masse non nulle, ils laissent une empreinte sur les grandes structures de l'univers à travers l'échelle à laquelle ils diffusent, qui se manifeste comme un déficit de fluctuations de densité de matière aux petites échelles. Par ailleurs, le modèle de matière noire froide montre des tensions persistantes avec les observations sur des échelles inférieures au Mpc. Dans ce travail de thèse, j'utilise le spectre de puissance de la transmission de flux dans la forêt Lyman-α dans des spectres de quasars lointains afin de contraindre la somme des masses des neutrinos et étudier la plausibilité d'un modèle de matière noire tiède. Dans un premier temps, j'ai mesuré le spectre de puissance 1D de la forêt Lyα à 13 redshifts tel que 2 ≤ z ≤ 4.25 en utilisant 43,751 spectres de quasars de haute qualité des programmes BOSS et eBOSS du relevé spectroscopique SDSS. Afin d'obtenir des résultats robustes sachant que les incertitudes statistiques ont été réduites d'un facteur 3 par rapport à la mesure précédente, j'ai identifié et contrôlé plusieurs effets systématiques dans l'analyse de données. Modéliser le flux Lyα implique de recourir à des simulations hydrodynamiques cosmologiques sachant qu'il émerge de la combinaison complexe entre l'évolution des grandes structures et de la physique baryonique des petites échelles. En effet, les processus astrophysiques tels que la formation stellaire et les phénomènes de retro-action de supernovae et des trous noirs rejettent une quantité considérable d'énergie dans le milieu environnant et modifient l'état thermique et la distribution du gaz dans le milieu intergalactique. Afin d'améliorer les prédictions théoriques de la forêt Lyα à un niveau comparable des données, je contrains l'impact des mécanismes de retro-action des trous noirs sur le spectre de puissance Lyα grâce à un jeu de 8 simulations que j'ai produit en me basant sur des observations astrophysiques et qui couvre l'ensemble des modèles de feedback plausibles. Je fournis une correction analytique de cet effet ainsi qu'une limite supérieure et inférieure tel que 2 ≤ z ≤ 4.25 et je montre qu'ignorer un tel mécanisme induit un biais de 2σ sur n_s et 1σ sur σ_8. Finalement, je combine les mesure des spectres de puissance Lyα avec des données CMB et BAO afin de les comparer statistiquement aux prédictions théoriques des simulations hydrodynamiques pour améliorer la contrainte sur la somme des masses des neutrinos de Σ mν < 0.12 eV établie précédemment à Σ mν < 0.09 eV dans le cas le plus extrême à 95% de vraisemblance. Ce résultat indique une préférence des données pour un modèle normal de hiérarchie de masse. La combinaison des données Lyα eBOSS avec les données Lyα XQ-100, contraint la masse des reliques thermiques à m_X > 5.3 keV à 95% de vraisemblance dans un cas de modèle de matière noire entièrement constitué de matière noire tiède, ce qui se traduit par une limite supérieure sur les neutrinos stériles produits de manière non-résonante à mν_s > 34 kev. Aussi, les données Lyα-eBOSS confirme une tension existante avec les données CMB sur l'indice spectral n_s et indique une préférence pour une dépendance d'échelle non nulle de n_s à 3σ.

Even if the standard cosmological LCDM model provides a remarkably successful framework to explain many independent observations, it still faces many challenges. In particular, the masses of neutrinos are still unknown and significantly alter structure formation because of their free-streaming that suppresses density fluctuations below a typical length scale inversely proportional to their rest mass. In addition, the cold dark matter (CDM) scenario is in tension with observations on scales smaller than the Mpc. In this thesis work, I use the power spectrum of the transmitted flux in the Lyman-α forest of distant quasar spectra to constrain the sum of neutrino masses, Σ mν, and determine the plausibility of a warm dark matter model, which is conveniently consistent with cold dark matter predictions on large scales while circumventing its issues at small scales because of its non-negligible velocity dispersion. First I measure the 1D power spectrum of the Lyα forest of 43,751 high quality quasar spectra between 2 ≤ z ≤ 4.6 from the BOSS and eBOSS programs of the SDSS spectroscopic survey. To obtain robust results given the unprecedented statistical power of the data I perform a careful investigation of observational systematic sources and their sources. Modeling the Lyα flux power spectrum requires to run hydrodynamical cosmological simulations because it arises from the complex interplay between large-scale structure evolution and small-scale baryonic physics. Indeed, astrophysical processes such as star formation or AGN feedback inject energy in the ambient medium and strongly impact the thermal state and gas distribution in the intergalactic medium. Including such processes in hydrodynamical simulations requires to rely on arbitrary parameters calibrated on astrophysical observations leading to discrepancies between different state-of-the-art simulations. In order to improve theoretical predictions of the Lyα forest, I constrain the impact of AGN feedback using a series of 8 hydro-cosmological simulations covering the whole plausible range of feedback models. I provide upper and lower limit for this signature for 2 ≤ z ≤ 4.25 and also show that ignoring this effect leads to 2σ shift on n_s and 1σ shift on σ_8. Finally, I combine the Lyα flux power spectrum measurements with CMB data, BAO data and theoretical predictions from hydrodynamical simulations to enhance the previously established constraints on the sum of neutrino masses from Σ mν < 0.12 eV to the most stringent constraints to date Σ mν < 0.09 eV in the most extreme case with 95% confidence, which tends to favor the normal hierarchy neutrino mass scenario. Combining eBOSS with XQ-100 Lyα data the mass m_X of hypothetical thermal relics is constrained to m_X > 5.3 keV at the 95% confidence level in the case of a pure warm dark matter scenario, which translates into mν_s > 34 kev for non-resonantly produced sterile neutrinos. Also, a mild-tension is found on n_s between eBOSS Lyα and CMB data, which translates into a preference for a non-zero running of n_s at the level of about 3σ.