Cartographier les fluctuations de brillance des galaxies de la 2D à la 3D: faisabilité de l'interprétation des données à venir

Intensity mapping from 2D to 3D: Evaluating the feasibility of interpreting upcoming data

• Auteur / Autrice : Athanasia Gkogkou
• Direction : Guilaine Lagache, Matthieu Bethermin
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : ASTROPHYSIQUE ET COSMOLOGIE
• Date : Soutenance en 2023
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LAM - Laboratoire d'Astrophysique de Marseille
• Jury : Président / Présidente : Stephanie Escoffier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guilaine Lagache, Matthieu Bethermin, Olivier Doré, Ely Kovetz, Hamsa Padmanabhan, Eiichiro Komatsu, Francois-Xavier Desert
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Olivier Doré, Ely Kovetz

Mots clés

Mots clés libres

Structures à grande échelle

Galaxies

Formation d'étoiles

Concerto

Large-scale structures

Galaxies

Star formation

Concerto

Résumé

L'étude de l’évolution de la densité du taux de formation d’étoiles (SFRD) dans les galaxies est un champ de recherche clé pour toutes les questions majeures en astrophysique et en cosmologie. Les relevés de galaxies ont été largement utilisés pour retracer l’histoire de la formation d’étoile des galaxies jusqu'à un décalage vers le rouge d'environ z ~ 11. Cependant, ces études ne parviennent pas à capturer l'information complète en raison de la présence de multiples galaxies peu lumineuses et indétectables, en particulier à des z élevés. Pour compléter les relevés traditionnels, la technique dite d’« Intensity Mapping » (IM) est apparue comme une approche intéressante. Elle consiste à mesurer la distribution spatiale de l'émission collective des raies spectrales des galaxies et du milieu intergalactique. Le projet CONCERTO, qui utilise un spectromètre fonctionnant dans la gamme de fréquences 120-310 GHz a pour but de mesurer les fluctuations d'intensité de la raie [CII] provenant de sources à z>5. Ces mesures visent à retracer la formation d'étoiles en exploitant la corrélation étroite entre la raie [CII] et le taux de formation d’étoile dans les galaxies. CONCERTO mesure également en avant-plan les fluctuations d'intensité de la raie CO à z<2.5. L'objectif de ma thèse comprenait deux aspects principaux. Je me suis tout d’abord concentrée sur le développement et la validation de la simulation SIDES (Simulated Infrared Dusty Extragalactic Sky), qui joue un rôle important dans l'étude de la faisabilité de la mesure et de l'extraction d'informations physiques à partir de cartes et de cubes d'intensité. SIDES combine un catalogue de halo de matière noire dérivé d'une simulation cosmologique à N-corps avec des relations empiriques pour attribuer aux galaxies diverses propriétés physiques, comme par exemple le taux de formation d’étoile, l'émission du continuum et l'émission des raies (sub-)millimétriques telles que [CII] et CO. J'ai combiné SIDES avec la simulation cosmologique à N-corps d'Uchuu, ce qui a permis d'obtenir une grande zone simulée d'environ 120 degrés carrés. Le spectre de puissance est un estimateur précieux et fréquemment utilisé qui nous permet d'extraire des informations physiques des données d’IM simulées ou observées. Il quantifie la probabilité de rencontrer une paire de galaxies à une distance de séparation spécifique. J’ai quantifié et modélisé l'impact de la variance champ-à-champ sur le spectre de puissance des raies de [CII] et CO obtenu par CONCERTO, et d’autres expériences d’IM. Cette variance est une limitation importante qui peut influencer les quantités physiques résultantes que nous cherchons à obtenir. Le deuxième objectif de ma thèse était d'étudier et de valider les modèles existants utilisés pour interpréter le spectre de puissance du fond diffus infrarouge (CIB) et des raies. Ces modèles, collectivement connus sous le nom de ''modèle de halo'', visent à caractériser les fluctuations des émissions à toutes les échelles. Bien que ces modèles aient démontré un certain succès dans l'analyse des données d'observation (par exemple, les fluctuations du CIB observées par le satellite Planck), leur validation est devenue cruciale, en particulier avant de les utiliser pour interpréter les spectres de puissance des raies. A cette fin, j'ai utilisé ces modèles pour analyser les données de la simulation SIDES-Uchuu et j'ai découvert un écart d'environ 20% entre les valeurs des paramètres attendues et retrouvées. Ce résultat met en évidence des faiblesses dans la capacité des modèles de halo à extraire des données physiques précises. Je discute des sources potentielles de ces faiblesses. Enfin, je présente l'étude d'un nouveau signal, précédemment négligé, qui est produit par la forte corrélation entre les fluctuations de l’intensité de la raie CO et les fluctuations du CIB, et qui est un avant-plan supplémentaire au signal kSZ déjà insaisissable.

Investigating the star formation rate density (SFRD) of galaxies throughout cosmic time is a fundamental inquiry in the field of modern astrophysics and cosmology. Galaxy surveys have been employed to trace the SFR of galaxies up to a redshift of approximately z ~ 11. However, these surveys fail to capture the complete information due to the presence of multiple faint and undetectable galaxies, particularly at high redshifts. To complement traditional surveys, the intensity mapping technique has emerged as a valuable approach, which involves measuring the spatial fluctuations of the total spectral-line emission from galaxies and the intergalactic medium. One such endeavor is the CONCERTO project, which employs a spectrometer operating within the frequency range of 120-310 GHz to measure the intensity fluctuation of the [CII] line originating from sources at z>5. This technique aims to trace high-z star formation by exploiting the tight correlation between the [CII] line and SFR in galaxies. The objective of my thesis encompassed two main aspects. Initially, I focused on the development and validation of the Simulated Infrared Dusty Extragalactic Sky (SIDES) simulation, which played a significant role in investigating the feasibility of measuring and extracting physical information from intensity maps and cubes. The SIDES simulation combines a dark-matter halo catalog derived from a N-body cosmological simulation with empirical relations to assign galaxies with various physical properties, including SFR, continuum emission, and the emission of prominent (sub-)millimeter lines such as [CII] and CO. I specifically worked on integrating SIDES with the Uchuu N-body cosmological simulation, ultimately providing a large simulated area spanning approximately 120 square degrees. The power spectrum is a valuable and frequently used estimator that allows us to extract physical information from simulated or observed intensity maps and cubes. It quantifies the probability of encountering a pair of galaxies at a specific separation distance. In my thesis, I quantified and modeled the impact of field-to-field variance on the power spectrum obtained from CONCERTO, as well as from other intensity mapping experiments. This effect emerged as a significant limitation that can eventually influence the resulting physical quantities (e.g., SFR) we aim to obtain. The second aim of my thesis focused on investigating and validating existing models used to interpret the power spectrum of the cosmic infrared background (CIB) and line intensity mapping. These models, collectively known as the ''halo model,'' aim to characterize anisotropies in emissions, such as continuum (CIB) and lines, across all scales. The halo model comprises three components: the 1-halo term, which accounts for small-scale clustering within the same halo, the 2-halo term, which captures clustering on large scales among galaxies in different halos, and the shot noise term, representing uncorrelated anisotropies at all scales. While these widely employed models have demonstrated apparent success in analyzing observational data (e.g., CIB anisotropies observed by the Planck satellite), their validation became crucial, especially prior to employing them for the interpretation of line power spectra. To this end, I employed these models to analyze simulated data from the SIDES-Uchuu simulation and discovered a discrepancy of approximately 20% between the expected and retrieved values. This result exposed weaknesses in the halo model's ability to extract precise physical data. Consequently, I engaged in a discussion regarding the potential sources of these model weaknessesd. Finally, I presented the investigation of a new, previously neglected signal, which is produced by the strong cross-correlation between CO-line intensity and CIB fluctuations and serve as an extra foreground to the already evasive kSZ signal.