Analyse jointe des supernovae et du clustering de galaxies avec ZTF et le DESI BGS

Joint supernovae and galaxy clustering analysis with ZTF and the DESI BGS

• Auteur / Autrice : Mahmoud Ahmed emam osman
• Direction : Nicolas Regnault
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique de l'Univers
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Physique nucléaire et hautes énergies (Paris ; 1997-....)

Mots clés

Mots clés libres

Cosmologie

Energie noire

Taux de croissance de structure

Supernova type Ia

Clustering de galaxies

Cosmology

Dark energy

Growth rate of structures

Type Ia supernova

Galaxy clustering

Résumé

L'objectif principal de cette thèse est de mesurer le taux de croissance des structures (fs8) puisque c'est un test direct de la prédiction de la théorie de la relativité générale aux échelles cosmologiques et qu'une explication de l'existence de l'“énergie noire” peut être due à des déviation de la relativité générale aux grandes échelles. Les mesures de précision de fs8 ne sont devenues possibles que récemment, grâce aux sondages spectroscopiques massives, rassemblant des redshifts d'une dizaine de millions de galaxies. Avec suffisamment de statistique il est possible d'en déduire fs8 des distorsions de la fonction de corrélation des galaxies dans l'espace des redshifts (RSD). La mesure de fs8 fait partie des objectifs principaux de la nouvelle génération du Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) qui utilise le télescope Mayall de 4m à Kitt Peak Arizona. DESI est le premier sondage de nouvelle génération qui prend réellement des données (le sondage principal a commencé en mai 2021) et obtiendra environ 40 millions de spectres de galaxies sur 5 ans. L'échantillon de 13 millions de galaxies à faible redshift (Bright Galaxy Survey, BGS) permettra de sonder l'univers local lorsqu'il est dominé par l'accélération cosmique. La précision sur les paramètres cosmologiques obtenus à partir de RSD ne sera pas limitée par les statistiques mais par la variance cosmique (la quantité d'information disponible dans un volume d'Univers), en particulier à faible redshift (z<0.1) où fs8 sera mal contraint par le RSD seul du BGS. La combinaison de RSD avec d'autres sondes devient donc essentielle. Une sonde prometteuse est l'étude des corrélations spatiales des vitesses particulières (PV) des supernovae (SNe). Les résidus du diagramme SN de Hubble encodent les PV des SNe. Les corrélations spatiales à grande échelle de ces mouvements sont directement proportionnelles à fs8. De telles mesures nécessitent de grands échantillons de SN à faible redshift ~O(1000), qui commencent à être disponibles. Par exemple, le Zwicky Transient Facility (ZTF) accumule actuellement un échantillon de 6000 SNe à z<0.1. Le groupe de cosmologie du LPNHE est impliqué dans les projets DESI et ZTF. Pendant la thèse je serai mené à faire une analyse jointe ZTF & DESI pour mesurer le taux de croissance de la structure à partir des champs de densité et de vitesse. Dans un premier temps le travail de la thèse portera sur l'amélioration de la standardisation des distances des SNe, afin de diminuer la dispersion dans le diagramme de Hubble due au bruit de modélisation SN. Par la suite, il faudra développer un estimateur de distance SN amélioré et l'entraîner sur l'ensemble de données ZTF. Ensuite, utiliser les simulations DESI BGS comme entrée pour générer SN aux positions des galaxies. Cela se traduira par le développement de simulations cosmologiques réalistes qui contiennent les deux sondes afin d'effectuer une analyse jointe et de déduire à la fois les champs de densité et de vitesse. Le pipeline global sera appliqué à l'échantillon de SNe ZTF et de galaxies DESI BGS pour obtenir les contraintes les plus précises sur la nature de l'”énergie noire” et de la gravité à un redshift z&lt;0.1.

The main objective of this thesis is to measure the growth rate of structures (fs8) since it is a direct test of the theory of general relativity at cosmological scales and that an explanation for the existence of “dark energy” can be due to deviations from general relativity at large scales. Precision measurements of fs8 have only recently become possible, thanks to massive spectroscopic surveys, gathering redshifts from tens of millions of galaxies. With enough statistics it is indeed possible to infer fs8 from the distortions of the galaxy correlation function in redshift space (RSD, for Redshift Space Distortions). Such fs8 measurements are among the key goals of the new generation Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) which uses the 4m Mayall telescope at Kitt Peak in Arizona. DESI is the first new generation survey that is actually taking data (the main survey started in May 2021) and it will obtain about 40 million spectra of galaxies over 5 years. The sample of 13 million galaxies at low redshift (Bright Galaxy Survey, BGS) will probe the local universe when it is currently dominated by the cosmic acceleration. Together with its high density sampling, it makes it the ideal dataset to study modifications of general relativity. The precision on the cosmological parameters obtained from RSD will not be limited by statistics but by cosmic variance (limited amount of information available in a given volume of the universe), especially at low redshift z < 0.1 where fs8 will be poorly constrained by RSD alone from the BGS. Combining RSD with other probes becomes essential. A promising probe is the study of the spatial correlations of supernova peculiar velocities (PV) : residuals to the SN Hubble diagram encode peculiar motions at the SN location. The large-scale spatial correlations of these motions are directly proportional to fs8. Again, such measurements necessitate large samples of low-redshift supernovae O(1000), which are just becoming available. For example, the Zwicky Transient Facility (ZTF) is currently accumulating a sample of 6000 SNe at z<0.1. The LPNHE cosmology team is involved in the DESI and ZTF projects. During the thesis I will be conducting a joint ZTF & DESI analysis to measure the growth rate of the structure from the density and velocity fields. Initially, the work of the thesis will be on improving the standardisation of SNe distances, in order to reduce the dispersion in the Hubble diagram due to SN modeling noise. After that, it will be essential to develop an improved SN distance estimator and train it on the ZTF dataset. Then the use of DESI BGS simulations as input to generate SN at galaxy positions. This will result in the development of realistic cosmological simulations that contain both probes to perform joint analysis and infer both density and velocity fields. The global pipeline will be applied to the sample of SNe ZTF and DESI BGS galaxies to obtain the most accurate constraints on the nature of “dark energy” and gravity at a redshift z&lt;0.1.