Cosmologie avec les amas de galaxies du grand programme Sunyaev-Zeldovich de NIKA2

Cosmology with the galaxy clusters of the NIKA2 Sunyaev-Zeldovich Large Programme

• Auteur / Autrice : Corentin Hanser
• Direction : Laurence Perotto
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique subatomique et astroparticules
• Date : Soutenance le 18/10/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie (Grenoble, Isère, France ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Derome
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Baptiste Melin, Laura Salvati
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sophie Henrot-Versillé, Raphaël Gavazzi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cosmologie

Galaxies -- Amas

Mots clés libres

Amas de galaxies

Cosmologie

Analyses multi-Longueurs d'onde

Nika2

Effet Sunyaev-Zel'dovich

Multi-Wavelength analysis

Sunyaev-Zel'dovich Effect

Nika2

Clusters of Galaxies

Cosmology

Résumé

En tant que traceurs de la distribution de matière dans l'Univers et de l'histoire de son expansion, les amas de galaxies constituent de puissantes sondes cosmologiques. Dans le domaine millimétrique, les amas s'observent via l'effet Sunyaev-Zeldovich (SZ) thermique, une distorsion spectrale du fond diffus cosmologique (CMB) produite par interaction avec le gaz chaud ionisé du milieu intra-amas. Indépendant du décalage vers le rouge et présentant une signature spectrale spécifique, cet effet permet de cartographier ou détecter des amas distants. Les récentes expériences CMB exploitent l’effet SZ pour fournir de larges catalogues d'amas de galaxies et des cartes de la distribution de gaz dans l’Univers. Cependant, la principale limitation de la cosmologie SZ est l’exactitude avec laquelle on connaît la masse des amas, qui n’est pas une observable. Pour estimer la masse et les propriétés des amas, nous nous plaçons dans le cadre du modèle auto-similaire de formation des structures, supposant que les amas sont bien décrits par des propriétés universelles, telles qu'une relation d'échelle, reliant l'observable SZ à la masse de l'amas, et un profil de pression radial moyen. Ces quantités sont cruciales pour la cosmologie SZ, via le comptage d’amas ou le spectre de puissance angulaire des cartes SZ, et doivent être calibrées via l'étude d'échantillons d'amas bien caractérisés.Cette thèse s'inscrit dans le grand programme SZ (LPSZ) qui exploite la cartographie à haute résolution angulaire de l'effet SZ permise par la caméra NIKA2 pour étudier les propriétés thermodynamiques d'un échantillon bien défini d'amas de galaxies distants (0.5<z<0.9). Dans une première partie, nous avons standardisé et amélioré les outils de la collaboration NIKA2 afin de développer la chaîne d’analyse depuis la réduction des données brutes jusqu'à la caractérisation des profils de pression des amas du LPSZ. En particulier, nous avons proposé une méthode d'évaluation de la qualité des données et de sélection des observations, résultant en une réduction moyenne du bruit dans les cartes d'un facteur deux. Après une série d’optimisation et de tests des effets systématiques, nous avons défini la méthode standard de production des cartes à 150 et 260-GHz de l’ensemble de l’échantillon. À partir des cartes produites, nous avons estimé le profil de pression des amas et avons testé leur robustesse aux effets systématiques et aux choix d’analyse par comparaison de la méthode standard avec une série de méthodes alternatives. L’ensemble de ces produits, incluant les cartes en fréquence et les profils de pression, est destiné à la livraison publique des résultats du LPSZ. Dans une seconde partie, nous avons exploité la synergie entre les observations SZ de NIKA2 et en rayons X de XMM-Newton de résolution angulaire comparable. Nous avons estimé la masse sous l’hypothèse d’équilibre hydrostatique et l’ensemble des propriétés thermodynamiques d’un sous-échantillon de 22 amas. Nous avons ensuite proposé une méthode statistique basée sur un modèle hiérarchique Bayésien pour inférer le profil de pression universel des amas. Cette méthode prend en compte les erreurs sur les analyses individuelles ainsi que la dispersion intrinsèque entre amas induite par les déviations au modèle auto-similaire résultant de processus baryoniques. Après validation sur simulation, nous avons appliqué cette méthode au sous-échantillon et nous présentons la première estimation du profil de pression universel avec les données du LPSZ. Enfin, abandonnant l'hypothèse sphérique et considérant un modèle elliptique 2D, nous avons développé une méthode pour mieux comprendre l’impact de la morphologie des amas. Cette méthode a été validée sur simulation et testée sur les données du LPSZ. À terme, le profil de pression moyen obtenu sur l’échantillon LPSZ, ainsi que les futures études inédites à partir des cartes des amas, contribueront à améliorer la précision et l’exactitude de la cosmologie SZ.

Galaxy clusters, formed at the intersections of the matter filaments of the cosmic web, are the highest peaks in the matter density field. Their formation and evolution are critically sensitive to details of the expansion history of the universe. Specifically, they are primary probes of the dark matter distribution in the Universe and have thus emerged as a powerful cosmological probe. Clusters are filled with a hot ionized gas that can be studied through the thermal Sunyaev-Zel’dovich (SZ) effect, a spectral distortion of the cosmic microwave background (CMB). This effect has a characteristic spectral feature that allows cluster detections and observations up to high redshifts. Past and future large-scale surveys in the millimeter domain are efficient in providing large cluster catalogs and maps of gas distribution in the Universe. However, a significant challenge in SZ cosmology is accurately determining cluster masses, as they are not directly observable. To address this issue, we assume that galaxy clusters are dominated by gravitational processes and therefore do not exhibit a preferred spatial scale. According to the self-similar model of structure formation, we can derive average quantities such as a scaling relation, connecting the SZ observable with the cluster's mass, and a universal radial pressure profile scaled by mass and redshift. These quantities are crucial for SZ cosmology through cluster counting or angular power spectrum studies of SZ maps, requiring calibration from well-characterized cluster samples.This thesis is part of the NIKA2 Sunyaev-Zeldovich Large Programme (LPSZ), which exploits high angular resolution observations of the SZ effect with the NIKA2 camera to study the physical properties of a well-defined sample of distant galaxy clusters (0.5<z<0.9). We first standardized and improved the tools of the NIKA2 collaboration to develop the analysis pipeline from raw data reduction to the characterization of pressure profiles of the LPSZ clusters. Specifically, we proposed a method for data quality assessment and observation selection, resulting in an average noise reduction in the maps by a factor of two. After a series of optimizations and systematic effect tests, we established the standard method for producing 150 and 260-GHz maps for the entire sample. From these maps, we inferred the cluster pressure profiles and tested their robustness against various systematic effects and methodological parameter choices.. All these products, including the frequency maps and pressure profiles, are intended for the public release of the LPSZ results. Then, by leveraging the synergy between the NIKA2 SZ and XMM-Newton X-ray observations with comparable angular resolutions, we inferred the mass under the hydrostatic equilibrium assumption and, more generally, the thermodynamic properties of a subsample of 22 clusters. We then proposed a statistical method based on a hierarchical Bayesian model to infer the universal pressure profile of galaxy clusters. This method accounts for errors in individual analyses as well as the intrinsic dispersion between clusters caused by deviations from the self-similar model due to baryonic processes. After validating this method on simulations, we applied it to the subsample and we present the first estimation of the universal pressure profile using LPSZ data. Finally, by releasing the spherical hypothesis and considering a 2D elliptical model, we developed a method to gain insights into the morphological properties of galaxy clusters. This method has been validated on analytical simulations and tested on the LPSZ data. Ultimately, the average pressure profile obtained from the LPSZ sample, along with future novel studies based on cluster maps, will contribute to improving the precision and accuracy of SZ cosmology.