étude de la raie de l'hydrogène à 21 cm comme sonde cosmologique des âges sombres et de l'aube cosmique

investigating the 21cm hydrogen line as cosmological probe of the dark ages and cosmic dawn

• Auteur / Autrice : Hugo Plombat
• Direction : Denis Puy
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique et Astrophysique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 25/10/2024
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LUPM - Laboratoire Univers et Particules Montpellier
• Jury : Président / Présidente : Julien Lavalle
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Denis Puy, Benoît SéMELIN, Françoise Combes, Ely Kovetz, Daniel Pfenniger
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benoît SéMELIN, Daniel Pfenniger

Mots clés

Mots clés libres

Raie 21 cm

Cosmologie

Theorie

21cm line

Cosmology

Theory

Primordial molecules

Primordial Atoms

Résumé

Les Âges Sombres et l’Aube Cosmique - qui s’étendent de la recombinaison à l’origine du fond diffus cosmologique (CMB) jusqu’à la large réionisation du Milieu InterGalactique (IGM) - sont des époques mal connues de l’histoire de l’Univers car peu d’observations sont capables de les sonder. Le signal de la raie 21cm, correspondant à la transition de retournement de spin dans l’hydrogène neutre - qui compose la majorité de l’IGM - est une sonde prometteuse pour explorer ces périodes. L’étude du signal 21cm pendant les Ages Sombres donne accès privilégié à l’histoire de la croissance des perturbations jusqu’à leur effondrement en structures non-linéaires. Son étude durant l’Aube Cosmique permettra de contraindre les propriétés de l’IGM, influencées à la fois par les propriétés astrophysiques des générations successives d’étoiles et de galaxies, ainsi que par la cosmologie sous-jacente. Dans cette thèse, j’explore les différentes échelles de la formation des structures avec le signal 21cm, étudié d’abord à l’échelle de structures individuelles, puis comme outil pour contraindre des modèles cosmologiques altérant le spectre de puissance de la matière. Le premier axe de cette thèse vise à estimer le signal 21cm provenant de de régions de l’Univers présentant des surdensités en effondrement pendant les Ages Sombres. En utilisant le code CHEMFAST de calcul des abondances des espèces, et en incorporant un scénario d’effondrement sphérique tenant compte de la pression, j’étudie les effets de la présence de molécules dans le gaz au sein d’une région de sur-densité en effondrement. En particulier, je montre que l’influence thermique des molécules sur température du gaz affecte également le signal 21cm à l’intérieur de ce type de structures, témoignant d’une signature distincte du signal global attendu pendant les Âges Sombres. J’examine égalament la variation du signal 21cm en fonction de la masse des régions en effondrement, indiquant que les signatures les plus proéminentes sont attendues en provenance des halos de plus faible masse. Dans le second axe de ma thèse, j’effectue une analyse par matrice de Fisher de la sensibilité des futures ob- servations à 21 cm avec le télescope HERA à des modèles cosmologiques incluant des espèces relativistes supplémentaires en libre écoulement, ainsi et des espèces de radiation sombre supplémentaires interagissant avec la matière noire. Je montre que la sensibilité du télescope HERA peut surpasser celle des observations du CMB par le satellite Planck pour une partie des scénarios d’interaction. De plus, la combinaison des observations 21cm avec de l’information en provenance du CMB offre une amélioration considérable de sensibilité à ces modèles cosmologiques, indiquant une amélioration potentielle des contraintes actuelles sur ces modèles grâce aux observations du signal 21cm à venir.

The Dark Ages and Cosmic Dawn — spanning from the recombination that released the Cosmic Microwave Background (CMB) to the large reionization of the intergalactic medium (IGM) — are elusive periods in cosmic history, because of the lack of observations capable of probing them. The signal from the 21cm line, corresponding to the spin-flip transition of neutral hydrogen - the dominant component of the IGM - is a promising target choice for exploring these periods. The study of the 21cm signal during the Dark Ages gives privileged access to the history of the growth of perturbations up to their collapse into larger non-linear structures. Investigating it during Cosmic Dawn will help constrain the properties of the IGM, influenced both by the astrophysical processes issued from successive generations of stars and galaxies, as well as by the underlying cosmology. This thesis investigates the 21cm signal across different scales of structure formation, first studied at the scale of individual structures, starting with its manifestation at the scale of individual structures and progressing to its use in constraining cosmological models that impact the matter power spectrum. The first axis of this thesis aims to estimate the 21cm signal originating from collapsing over-dense regions during the Dark Ages. Utilizing the CHEMFAST code for calculating species abundances, and incorporating a pressure-supported spherical collapse scenario , I investigate the effects of the presence of molecules within the collapsing gas. I demonstrate that molecular cooling which significantly affect the gas temperature and consequently impact the 21cm signal arising from such structures, showing a distinct signature differing from the global signal expected during this period. Additionally, I examine the variation of the 21cm signal with the mass of the collapsing regions, indicating that the most prominent signatures are expected from the lowest-mass halos. In the second axis, I perform a Fisher matrix analysis of the sensitivity of the future 21cm observations from the HERA telescope to cosmological models including additional free-streaming relativistic species and additional dark radiation species interaction with dark matter. I show that HERA’s sensitivity can surpass that of Planck satellite CMB observations for a range of interaction scenarios. Moreover, the combination of 21cm observations with CMB information offers a substantial enhancement in sensitivity to these cosmological models, suggesting that upcoming 21cm observations may significantly improve current constraints on these models.