Contraindre les modèles cosmologiques avec la théorie effective des champs des structures à grandes échelles

Constraining cosmological models with the effective field theory of large-scale structures

• Auteur / Autrice : Théo Simon
• Direction : Julien Lavalle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et Astrophysique
• Date : Soutenance le 27/02/2024
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Univers et Particules de Montpellier (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Philippe Uzan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Filippo Vernizzi, Vivian Poulin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guido D'Amico, Laura Lopez-Honorez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cosmologie

Énergie sombre (astronomie)

Matière noire (astronomie)

Mots clés libres

Cosmologie

Théorie

Structures à grandes échelles

Tensions cosmologiques

Matière noire

Énergie sombre

Cosmology

Theory

Large-Scale structures

Cosmological tensions

Dark matter

Dark energy

Résumé

Au cours des deux dernières décennies, le modèle cosmologique standard ''Λ matière noire froide'' (ΛCDM) a été fermement établi par une variété d'observations. Néanmoins, la nature des composants dominants de l'Univers - à savoir la matière noire et l'énergie noire - et le processus de création de ses conditions initiales - à savoir l'inflation - ne sont pas encore connus. En outre, à mesure que la précision des données s'est accrue, des anomalies intrigantes sont apparues au sein du modèle cosmologique standard. Ces anomalies résultent d'une divergence entre la valeur de certains paramètres cosmologiques prédite à partir de leur étalonnage dans l'Univers lointain, par exemple avec le fond diffus cosmologique, et la mesure de ces paramètres dans l'Univers local. Les deux tensions les plus importantes en cosmologie moderne concernent le paramètre qui détermine le taux d'expansion de l'Univers, à savoir le paramètre de Hubble H0, et le paramètre qui quantifie l'amplitude des fluctuations locales de la matière, à savoir le paramètre S8. Un certain nombre de relevés dédiés à la mesure des structures à grande échelle de l'Univers (BOSS et eBOSS en particulier, et prochainement DESI et EUCLID) peut être utilisé pour arbitrer ces tensions cosmologiques. Le premier axe de cette thèse est basé sur une méthode semi-analytique, connue sous le nom de ''théorie effective des champs des structures à grandes échelles'' (EFTofLSS), qui fournit une description précise du spectre de puissance des galaxies, et vise à améliorer les contraintes cosmologiques provenant des structures à grandes échelles, un défi majeur dans le contexte des prochaines données de DESI et EUCLID. En particulier, nous appliquons une analyse EFTofLSS pour décrire les données de BOSS et eBOSS, et nous démontrons que ces relevés peuvent être utilisés pour obtenir des contraintes qui sont compétitives avec celles provenant des données du fond diffus cosmologique. Nous établissons également l'auto-consistance de cette théorie au sein du modèle ΛCDM, car il semble à première vue que les différentes paramétrisations de l'EFTofLSS proposées dans la littérature fournissent des contraintes différentes sur les paramètres cosmologiques. Nous avons ainsi mis en évidence que ces divergences proviennent de certaines subtilités du cadre bayésien couramment utilisé. Par ailleurs, nous développons une méthode systématique pour appliquer l'EFTofLSS à différentes données provenant des structures à grandes échelles et obtenons des résultats robustes, tout en contrastant le cadre bayésien avec l'approche fréquentiste, afin de fournir une inférence cosmologique complète. Le second axe de mon travail vise à établir les implications théoriques éventuelles des tensions cosmologiques sur notre compréhension du secteur sombre de l'Univers. En particulier, nous confrontons différents modèles qui peuvent résoudre ces tensions à la lumière des données de BOSS et eBOSS analysées dans le cadre de l'EFTofLSS. Nous concluons que les données actuelles provenant des structures à grandes échelles ne sont pas en tension avec ΛCDM, et peuvent être utilisées pour établir des contraintes importantes sur les modèles suggérés pour résoudre les tensions cosmologiques.

Over the last two decades, the standard cosmological model ''Λ cold dark matter'' (ΛCDM) has been firmly established by a variety of observations. Nevertheless, the nature of the dominant components of the Universe - namely dark matter and dark energy - and the process of creation of its initial conditions - namely inflation - are not yet known. Furthermore, as the precision of the data has increased, intriguing anomalies have appeared within the standard cosmological model. These anomalies arise from a discrepancy between the value of some cosmological parameters predicted from their calibration in the distant Universe, for example with the cosmic microwave background (CMB), and the measurement of these parameters from the local Universe. The two most significant tensions in modern cosmology concern the parameter that determines the expansion rate of the Universe, i.e., the Hubble parameter H0, and the parameter that quantifies the amplitude of local matter fluctuations, i.e., the parameter S8. A number of surveys dedicated to measuring large-scale structures (LSS) of the Universe (BOSS and eBOSS in particular, and the forthcoming DESI and EUCLID) can be used to weigh in on these cosmological tensions. The first axis of this thesis is based on a semi-analytical method, known as ''effective field theory of large-scale structures'' (EFTofLSS), which provides an accurate description of the galaxy power spectrum, and aims at improving cosmological constraints from LSS surveys, a major challenge in the context of the forthcoming data from DESI and Euclid. In particular, we apply an EFTofLSS analysis to describe the BOSS and eBOSS data, and demonstrate that these surveys can be used to obtain constraints that are competitive with those coming from CMB data. We also establish the self-consistency of this theory within the ΛCDM model, as it appears at first sight that the different EFTofLSS parametrizations proposed in the literature seem to provide different constraints on cosmological parameters. We thus identify these discrepancies as originating from subtleties of the commonly used Bayesian framework. In addition, we develop a systematic method for applying the EFTofLSS to different LSS data and obtain robust results contrasting the Bayesian framework with the frequentist approach, for an in depth cosmological inference. The second aspect of my work aims to establish the possible theoretical implications of cosmological tensions for our understanding of the dark sector of the Universe. In particular, we confront various models that can resolve these tensions with the BOSS and eBOSS data analysed under the EFTofLSS. We conclude that current clustering data are not in tension with ΛCDM, and can be used to set important constraints on model suggested to resolve cosmological tensions.