Résoudre les tensions récentes en cosmologie pour élucider la nature du secteur sombre

par Adèle Poudou

Projet de thèse en Physique et Astrophysique

Sous la direction de Vivian Poulin.

Thèses en préparation à l'Université de Montpellier (2022-....) , dans le cadre de École Doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015) , en partenariat avec LUPM - Laboratoire Univers et Particules Montpellier (laboratoire) depuis le 02-10-2023 .


  • Résumé

    Au cours des deux dernières décennies, le modèle cosmologique ‘Λ matière noire' (ΛCDM), basé sur la relativité générale sous l'hypothèse d'une homogénéité isotropie spatiale aux grandes échelles, a été fermement établi par une variété d'observations. Cela comprend les données du fond cosmique micro-ondes (CMB) et de la nucléosynthèse primordiale, les relevés de structures aux grandes échelles mesurant l'oscillation acoustique baryonique, ainsi que les compilations de la distance-luminosité des supernovae de type Ia (SNIa). Néanmoins, la nature de ses composants dominants - matière noire et énergie noire - et du processus de création de ses conditions initiales - l'inflation - n'est pas encore connue. A mesure que la précision des mesures s'est accrue, un certain nombre d'écarts intrigants sont apparues entre les valeurs de paramètres cosmologiques prédites dans le modèle $Lambda$CDM à partir de leur calibration dans l'univers distant (e.g. le CMB) et leur mesure directe dans l'univers local. En particulier, la 'tension de Hubble' est un écart significatif entre la valeur du taux d'expansion de l'univers actuel -- le paramètre de Hubble H0-- mesurée à l'aide de l'échelle de distance cosmologique construite avec les SN1a, et celle déduite des données du CMB. Il existe également une tension moins significative mais plus ancienne entre la détermination cosmologique et locale de l'amplitude des fluctuations de la matière. Ces tensions pourraient être les premières indications de nouvelles propriétés des composantes sombres de notre univers et donnent l'espoir d'accéder à leur nature fondamentale. Cette thèse s'efforcera d'établir les implications de ces mesures quant à notre compréhension de la nature de la matière noire et de l'énergie noire. D'une part, il est maintenant compris que la résolution de la tension de Hubble nécessite très probablement une augmentation de la densité d'énergie de l'univers avant la recombinaison (380 000 ans après le Big Bang). D'autre part, la résolution de la tension sur l'amplitude des fluctuations de matière nécessite peut être réalisé dans une variété de modèles de matière noire (impliquant l'existence de nouvelles interactions ou une durée de vie finie pour la matière noire notamment). Pourtant, une confirmation robuste de l'un des modèles suggérés dans la littérature récente fait encore défaut, en raison soit de la précision limitée des données, soit de notre incapacité actuelle à calculer les prédictions de ces modèles pour la grande variété d'observables disponibles. De plus, malgré quelques tentatives, aucun des modèles proposés n'est capable d'expliquer simultanément ces tensions, améliorant souvent l'une au prix d'aggraver l'autre. Dans cette thèse, le/la doctorant/e: i) s'appuiera sur des modèles prometteurs issus de la littérature très récente afin de déterminer les caractéristiques nécessaires pour résoudre ces tensions simultanément; ii) calculera le signal attendu dans les observations cosmologiques actuelles et futures afin d'établir univoquement la classe de modèles la plus à même d'expliquer ces tensions. Plus précisément, le/la doctorant/e étudiera des modèles d'interaction de la matière noire avec l'énergie noire, des modèles d'énergie noire précoce, de gravité modifiée au moment de la recombinaison, des modèles reliant l'inflation à l'énergie noire, des modèles d'interactions non-standard des neutrinos (éventuellement liés à la nature de la matière noire et / ou à la masse des neutrinos). Après une compréhension analytique de ces modèles, l'étudiant/e développera des extensions au code publique CLASS permettant de comparer les prédictions associées aux modèles aux données avec la précision théoriques nécessaire. Une bonne connaissance de la théorie des perturbations cosmologiques, du modèle standard de la physique des particules, ainsi que des compétences en programmation informatique en langages C et python, seront nécessaires pour cette thèse.

  • Titre traduit

    Resolving cosmic tensions to reveal the dark sector of the universe


  • Résumé

    In the last couple of decades, the Λ cold dark matter (ΛCDM) model of cosmology, based on General Relativity under the assumption of spatial homogeneity and isotropy on sufficiently large scales, has been firmly established by a variety of observations. This includes cosmic microwave background (CMB) and observational tests of Big Bang Nucleosynthesis, Large Scale Structure surveys measuring the Baryon Acoustic Oscillation, as well as compilations of luminosity distance to SuperNovae of type Ia (SNIa). Nevertheless, the nature of its dominant components – Cold Dark Matter (CDM) and Dark Energy (DE) – and of the process seeding its initial condition – inflation – is yet to be unveiled. Interestingly, as the accuracy of measurements has increased over the past few years, a number of intriguing discrepancies between the values of some cosmological parameters predicted within ΛCDM and their direct measurements at low redshift has emerged. In particular, the ‘Hubble tension' is a significant discrepancy between the value of the current expansion rate of the universe H0 measured using SNIa data as a cosmic distance ladder and that inferred from CMB data. Additionally, there exists a milder yet longstanding tension between the cosmological and local determination of the amplitude of the matter fluctuations. These tensions could be the first indication of new features in the dark components and give hope to access their fundamental properties. This thesis will focus on understanding the implication of these measurements for the nature of CDM and DE. On the one hand, it is now understood that resolving the Hubble tension most likely requires new physics in the pre-recombination era, through an increase in the energy density of the universe before recombination. On the other hand, decreasing the amplitude of matter fluctuations can be achieved in a variety of models often related to new DM properties. Yet, a robust confirmation of any of the models suggested in the recent literature is still lacking, because of either the limited precision of the data, or our current inability to compute predictions of these models for the variety of observables that are available. Moreover, despite some attempts, none of the suggested models is able to explain simultaneously these tensions, often improving over a tension at the expense of worsening another. In this thesis, the PhD candidate will: i) build over promising models suggested in the literature in order to determine the features required to resolve these tensions simultaneously; ii) compute predictions for current and future cosmological observations in order to firmly establish the class of models responsible for these tensions. More precisely, the PhD candidate will study models of dark matter interaction with dark energy, models of dark energy at early times, modified gravity active at times around recombination, models connecting inflation to dark energy, models of non-standard neutrino interactions (possibly related to the nature of dark matter and/or neutrino masses). A good knowledge of the theory of cosmological perturbations, the standard model of particle physics and some skills with computer programming languages C and python, are required for this thesis.