Exploration de l'émission Galactique du CO avec les données de Planck

Exploring Galactic CO emission with Planck data

• Auteur / Autrice : Clément Walter
• Direction : François Levrier
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Inscription en doctorat le 01/09/2019
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique de l'ENS (Paris ; 2019-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)

Mots clés

Mots clés libres

Co

Avant-plans

Données Planck

Co

Foregrounds

Planck data

Résumé

Le satellite Planck a fourni un relevé du ciel complet dans neuf bandes de fréquences des domaines millimétrique et submillimétrique. Son objectif premier était la caractérisation des très faibles anisotropies de température du fond diffus cosmologique (CMB), une émission de corps noir presque parfait produite à un redshift de z~1100. Ces anisotropies sont interprétées comme les graines à partir desquelles les grandes structures de l'Univers se sont formées. Cependant, ce signal primordial est noyé, sur l'essentiel du ciel, par l'émission des avant-plans issus de notre propre Galaxie (émission thermique des poussières, synchrotron, free-free, ainsi que des raies rotationnelles de CO). Pour caractériser convenablement le signal cosmologique, il est donc indispensable de procéder à une séparation très précise des composantes de l'émission. Un nouvel algorithme de production de cartes (“map-making”) à partir des données de l'instrument Planck-HFI a été mis en place pour fournir des cartes séparées du CMB et des avant-plans. Ce map-making est fondé en partie sur l'exploitation des différences entre les réponses spectrales des différents récepteurs travaillant à la même fréquence. Ceci est possible grâce au très haut rapport signal-à-bruit des émissions d'avant-plan aux grandes échelles angulaires. Le travail de thèse proposé poursuit deux objectifs. Caractérisation de ces nouvelles cartes d'avant-plans, en les réinjectant dans l'algorithme de map-making. En effet ce dernier utilise des “templates” des émissions d'avant-plan comme base de travail pour guider la détermination des différentes composantes. Il est donc indispensable de s'assurer que cette détermination n'est pas trop sensible aux propriétés des cartes d'entrée, et que la convergence de ce processus itératif est rapide. Établissement des mécanismes physiques à l'origine des avant-plans, via des corrélations avec un ensemble de traceurs issus d'autres données. Les questions scientifiques au cœur de cette partie du travail de thèse concernent d'une part la variation spatiale de la distribution spectrale en énergie (SED) de l'émission thermique des poussières et de l'émission synchrotron, et d'autre part les différents mécanismes menant à la formation d'espèces moléculaires (que ce soit par des effets d'opacité ou par une chimie chaude dans les régions de dissipation de la turbulence interstellaire). Ces questions n'ont pas qu'un intérêt astrophysique. Elles sont également centrales pour l'extraction du signal primordial à grande échelle, en particulier en polarisation. Seule cette extraction précise permettra de déterminer avec fiabilité deux paramètres cosmologiques de première importance : l'épaisseur optique jusqu'à la réionisation de l'Univers, qui contraint les scenarii de formation des premiers objets lumineux de l'Univers, et le rapport tenseur-scalaire des fluctuations primordiales, qui contraint quant à lui les propriétés des ondes gravitationnelles produites au moment de l'inflation. En effet, le but ultime de ce travail consistera à combiner les données Planck sur les avant-plans avec des données complémentaires, à haute sensibilité, issues d'expériences au sol (adv-ACT) ou embarquées sous ballon stratosphérique (SPIDER), pour traquer ces ondes gravitationnelles primordiales imprimées dans les modes B de la polarisation du CMB.

The Planck satellite has mapped the entire sky over nine frequency bands in the millimetre and submillimetre domains. Its primary objective was to characterize the very small temperature anisotropies of the Cosmic Microwave Background (CMB), a nearly-perfect blackbody emission produced at a redshift z~1100. Its anisotropies are thought to be the seeds from which the large-scale structures of the Universe have evolved. However, this primordial signal is masked over large parts of the sky by the emission from foregrounds originating in our own Galaxy (thermal dust, synchrotron, and free-free continua, plus CO rotational lines). To properly characterize the cosmological signal thus requires an accurate separation of the components of the emission. A new algorithm to produce maps (“map-making”) from the data of Planck's High Frequency Instrument (HFI) is now in place to provide separate maps of the CMB and foregrounds. This map-making is partly based on the exploitation of the bandpass differences (“mismatch”) between different detectors operating at the same frequency. This is made possible thanks to the very large signal-to-noise ratio of foreground emission at large angular scales. The objectives of the proposed PhD work are twofold. First, a characterization of these newly extracted foreground maps, by using them as an input of the map-making. Indeed, this algorithm uses templates of the foreground emission to guide its determination of the different components. It is then necessary to establish firmly how sensitive this determination is with respect to the input maps, and how fast this iterative process converges. Secondly, a study of the physical mechanisms producing the foregrounds, through correlations with a variety of tracers. The questions that need to be addressed in this part of the work deal on the one hand with the spatial variations of the Spectral Energy Distribution (SED) of interstellar thermal dust and synchrotron emission, and on the other hand with the different mechanisms leading to the formation of molecular species (either by opacity or via warm chemistry in regions of turbulent dissipation). These are questions of interest not only for interstellar astrophysics. They also form a crucial aspect of the removal of foregrounds at large scales, in particular for polarized emission. Only through this careful removal will we be able to reliably determine two cosmological parameters of prime importance : the optical depth to the reionization of the Universe, that constrains the scenarii of the formation of the first luminous objects, and the tensor-to-scalar ratio of the primordial fluctuations, that constrains the properties of primordial gravitational waves produced in the inflationary era. Indeed, the ultimate goal of this work is to combine the foreground Planck data with complementary high-sensitivity CMB data from ground based (adv-ACT) and balloon borne (SPIDER) experiments, to search for these primordial gravitational waves imprinted in the B-modes of CMB polarized emission.