La relation d'échelle SZ-Masse du Grand Programme SZ de NIKA2 : Analyses, effets systématiques et applications à la cosmologie

The SZ-Mass scaling relation of the NIKA2 SZ Large Program : Analysis, systematic effects and applications to cosmology

• Auteur / Autrice : Alice Moyer anin
• Direction : Frédéric Mayet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique Subatomique et Astroparticules
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 03/10/2025
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique Subatomique et Cosmologie
• Jury : Président / Présidente : Laurent Derome
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Josquin Errard, Sophie Henrot-versille, Sebastian Bocquet, Dominique Boutigny, Pauline Zarrouk
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Josquin Errard, Sophie Henrot-versille

Mots clés

Mots clés libres

Cosmologie

Sunyaev Zeldovich

Amas de galaxies

Cosmology

Sunyaev Zeldovich

Clusters of galaxies

Résumé

Les amas de galaxies sont des traceurs idéaux de la matière dans l’Univers, car ils se situent aux pics de densité de matière. En étudiant leur distribution en masse et en redshift, nous pouvons obtenir des informations sur la distribution de matière dans l’Univers et son évolution au cours du temps. De ce fait, les amas de galaxies représentent une sonde cosmologique de premier plan. Les amas peuvent être observés et détectés dans le domaine millimétrique grâce à l’effet Sunyaev-Zeldovich thermique (tSZ), une distorsion spectrale du spectre du fond diffus cosmologique (CMB) causée par l’interaction des photons du CMB avec le gaz chaud ionisé du milieu intra-amas. L’observable SZ peut être reliée à la masse des amas de galaxies avec une relation d’échelle qui est obtenue grâce à l’étude détaillée d’un petit échantillon d’amas observé à haute résolution angulaire. Ces relations d’échelle sont ensuite utilisées dans les grands catalogues d’amas pour estimer leurs masses et contraindre certains paramètres cosmologiques. Il est donc important d’étalonner précisément la relation d’échelle SZ-Masse tout en prenant en compte les effets systématiques, comme l’état dynamique des amas de galaxies, qui peuvent affecter les analyses cosmologiques. Cette thèse s’inscrit dans le cadre du grand programme SZ (LPSZ) de la collaboration internationale NIKA2, qui exploite les observations à haute résolution angulaire de l’effet SZ afin d’étudier les propriétés thermodynamiques d’un échantillon d’amas distants (0.5 < z < 0.9). L’un des objectifs scientifiques est d’étalonner la relation d’échelle SZ-Masse avec des amas à haut redshift qui n’avaient jamais été utilisés pour ce type d’étalonnage. Les travaux réalisés au cours de cette thèse portent sur des thématiques allant des observations avec NIKA2 jusqu’à l’obtention des contraintes cosmologiques à l’aide de grands relevés d’amas de galaxies. J’ai pris part à différents tests systématiques sur les données de NIKA2, tels que l’impact du filtrage ou l’estimation de bruit. Ces travaux ont été pris en compte dans l’élaboration de l’analyse de référence du LPSZ, qui garantit des profils thermodynamiques et des quantités intégrées fiables. J’ai également construit une méthode robuste pour étalonner la relation d’échelle tout en prenant en compte les effets systématiques spécifiques à l’échantillon du LPSZ, en particulier la fonction de sélection. Ce travail s’est appuyé sur des simulations pour étudier et caractériser ces effets systématiques en détail. Grâce à ces simulations, j’ai pu entraîner et tester différentes méthodes d’apprentissage supervisé afin d’intégrer ces effets dans les analyses du LPSZ. En parallèle, un classificateur a été développé pour déduire l’état dynamique des amas à partir de leurs cartes à 150 GHz. Ce classificateur repose sur des paramètres morphologiques extraits des cartes observées à haute résolution angulaire grâce à NIKA2. Ce travail s’appuie sur la simulation hydrodynamique The Three Hundred afin d’entraîner et de valider le classificateur utilisé. Finalement, j’utilise la relation d’échelle obtenue grâce aux données du LPSZ pour étudier son impact sur les résultats cosmologiques actuels. Ces résultats pourront être utilisés afin d’étudier le lien entre la modélisation de la relation d’échelle et les tensions observées entre les contraintes cosmologiques issues du comptage d’amas d’une part et du CMB d’autre part.

Galaxy clusters are ideal tracers of the matter content in the Universe, as they are located at the highest peaks in the matter density field. By studying their distribution in mass and redshift, we can obtain information about the matter distribution in the Universe and its evolution over time. Galaxy clusters are therefore a key cosmological probe. Clusters can be observed and detected in the millimetre range thanks to the thermal Sunyaev-Zeldovich effect (tSZ), a spectral distortion of the cosmic microwave background (CMB) caused by the interaction of CMB photons with the hot ionised gas of the intracluster medium. The SZ observable can be related to the mass of galaxy clusters using a scaling relation. It is obtained through a detailed study of a small sample of clusters observed at high angular resolution. These scaling relations are then used in large cluster catalogues to estimate cluster masses and constrain certain cosmological parameters. It is therefore important to calibrate the SZ-Mass scaling relation precisely, while taking into account systematic effects, such as the dynamical state of galaxy clusters, which can affect cosmological analyses. This thesis is part of the SZ large program (LPSZ) of the international NIKA2 collaboration, which uses high-angular-resolution observations of the tSZ effect to study the thermodynamic properties of a distant cluster sample (0.5 < z < 0.9). One of the scientific objectives is to calibrate the SZ-Mass scaling relation with high redshift clusters that have never been used for this type of calibration. The work done during this thesis covers topics ranging from observations with NIKA2 to obtaining cosmological constraints using large scale surveys. I took part in various systematic tests on NIKA2 data such as the impact of filtering and noise estimation. This work has been taken into account in the development of the LPSZ baseline analysis, which guarantees reliable thermodynamic profiles and integrated quantities. I have also developed a robust method for calibrating the scaling relation while taking into account the systematic effects specific to the LPSZ sample, in particular the selection function. This work used simulations to study and characterise these systematic effects in detail. Thanks to these simulations, I was able to train and test different supervised machine learning methods in order to include these effects in the LPSZ analyses. In parallel, a classifier has been developed to infer the cluster dynamical state from their maps at 150 GHz. This classifier is based on morphological parameters extracted from maps observed at high angular resolution using NIKA2. This work uses The Three Hundred hydrodynamical simulation to train and validate the classifier. Finally, I used the scaling relation obtained from the LPSZ data to study its impact on current cosmological results. These results can be used to study the link between the modelling of the scaling relation and the observed tensions between the cosmological constraints derived from the cluster number count on the one hand and the CMB on the other.