Les anneaux d'Einstein comme sondes cosmique

Einstein rings as a cosmological probe

• Auteur / Autrice : Daniel Johnson
• Direction : Julien Larena
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique et Astrophysique
• Date : Inscription en doctorat le 30/09/2023
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Information, Structures, Systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LUPM - Laboratoire Univers et Particules Montpellier

Mots clés

Mots clés libres

Cosmologie

Perturbations de ligne de visée

Lentilles gravitationnelles: faibles et fortes

Tensions cosmologiques

Relativité Générale

General relativity

Gravitational lensing: weak and strong

Cosmology

Line-of-sight perturbations

Cosmic tensions

Résumé

Cette thèse s'insère dans un projet de recherche plus large réalisé au Laboratoire Univers et Particules de Montpellier. Nous ferons référence à ce projet général sous l'acronyme ELROND, pour Einstein Lensing Rings to Observe the Non-baryonic matter Distribution (Anneaux d'Einstein pour observer la distribution de matière non-baryonique). L'équipe d'ELROND comprend quatre chercheurs : elle est coordonnée par Pierre Fleury (chargé de recherche CNRS), Julien Larena (maître de conférences), et fait intervenir Natalie Hogg (post-doctorante) et Théo Duboscq (doctorant). Contexte. L'effet de lentille gravitationnelle faible est la principale sonde de la distribution de matière noire dans l'Univers, ce qui en fait l'un des axes majeurs des futurs grands relevés de galaxies tels qu'Euclid et le Legacy Survey of Space and Time. La méthode standard de mesure du lentillage faible, appelée cisaillement cosmique, consiste à observer l'alignement apparent des galaxies qui résulte de la déviation cohérente de la lumière par les grandes structures de l'Univers. Cette technique est toutefois limitée par notre ignorance de la forme et de l'orientation intrinsèque des galaxies. Concept. Le projet ELROND propose d'utiliser des anneaux d'Einstein comme “formes standards” pour mesurer le cisaillement cosmique sans souffrir des erreurs systématiques inévitablement liées à l'utilisation des galaxies comme sources lumineuses. Il permettra à terme de produire une mesure indépendante du paramètre cosmologique S8 et offrira de nouvelles sondes de la distribution de matière noire aux petites échelles. Travaux précédents. L'idée sous-jacente à ELROND est solidement motivée par des études théoriques (Birrer et al. 2017, Fleury et al. 2021) et sa faisabilité a déjà été démontrée sur des images simulées d'anneaux d'Einstein (Hogg et al. 2023). Objectifs d'ELROND. Le projet comporte trois axes quasi indépendants. Premièrement, nous évaluerons le potentiel cosmologique des anneaux comme sondes du cisaillement cosmique, en calculant le gain de précision et de justesse qui résulterait de leur utilisation pour la mesure de S8 dans le cadre d'Euclid. Deuxièmement, nous confirmerons la mesurabilité du cisaillement de ligne de visée sur des images réelles d'anneaux d'Einstein, et nous l'appliquerons aux données du relevé COSMOS-Web du James Webb Space Telescope. Troisièmement, nous explorerons la détectabilité des perturbations de ligne de visée au-delà du cisaillement, telles que la flexion, et nous étudierons leur capacité à révéler les propriétés de la distribution de matière noire aux petites échelles. Objectifs spécifique à cette thèse. Cette thèse de doctorat sera principalement dédiée à deux aspects du projet ELROND. D'abord, le ou la candidat.e évaluera la performance des modèles actuels de lentilles fortes, afin de s'assurer qu'aucun biais significatif ne mettra en danger les mesures du cisaillement de ligne de visée. Ensuite, en fonction du goût personnel du ou de la candidat.e, le second objectif consistera soit en l'application de ces techniques à des données réelles de lentilles fortes, soit en l'exploration du potentiel cosmologique du cisaillement de ligne de visée.

This PhD thesis is part of a broader research endeavour conducted at Laboratoire Univers et Particules de Montpellier. We refer to this general project as ELROND, for Einstein Lensing Rings to Observe the Non-baryonic matter Distribution. The team currently consists of four researchers: it is coordinated by Pierre Fleury (chargé de recherche CNRS) and Julien Larena (maître de conférences), and involves Natalie Hogg (post-doctoral researcher) and Théo Duboscq (PhD candidate). Context. Weak gravitational lensing is a key probe of the distribution of dark matter in the Universe; it is one of the main focuses of stage-IV galaxy surveys such as Euclid and the Legacy Survey of Space and Time. The standard weak-lensing measure – cosmic shear – consists in observing the apparent alignment of galaxies that results from the coherent deflection of light by the large-scale structure of the Universe. This technique is nevertheless limited by our ignorance of the intrinsic shape and orientation of galaxies. Concept. The ELROND project proposes to use strong-lensing Einstein rings as “standard shapes” to measure cosmic shear without the systematic errors that inevitably occur when using galaxies as sources. It will pave the way to a new independent measurement of the cosmological S8 parameter and offer novel probes of the distribution of dark matter on small scales. Prior work. The fundamental idea behind ELROND is well motivated by prior theoretical analyses (Birrer et al. 2017, Fleury et al. 2021b) and its feasibility has already been demonstrated on mock images (Hogg et al. 2023). Aims of ELROND. The project has three mostly independent objectives. Firstly, we shall assess the cosmological potential of Einstein rings as weak-lensing probes by forecasting the associated gain in precision and accuracy of S8 measurements by stage-IV surveys. Secondly, we shall confirm the measurability of the line-of-sight shear on real strong-lensing images, and apply it to the James Webb Space Telescope COSMOS-Web survey. Thirdly, we shall explore the detectability of line-of-sight perturbations to Einstein rings beyond shear, such as flexion, and study their ability to unveil small-scale properties of the dark-matter distribution. Specific aims of this PhD thesis. This PhD thesis will be mainly dedicated to two aspects of the ELROND project. First of all, the PhD candidate will assess the performance of current lens models to describe realistic strong lenses, thereby ensuring that no significant bias is to be expected in the measurement of the line-of-sight shear. Depending on the PhD candidate's taste, the next objective will be either to apply those techniques to real data, or to explore the cosmological potential of the line-of-sight shear.