THESE de DOCTORAT de l'UNIVERSITE LOUIS PASTEUR STRASBOURG

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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
THESE de DOCTORAT de l'UNIVERSITE LOUIS PASTEUR, STRASBOURG Specialite : COSMOLOGIE OBSERVATIONNELLE presentee par Jean-Baptiste JUIN pour obtenir le TITRE de DOCTEUR de l'UNIVERSITE LOUIS PASTEUR Exploration, par simulation, des observations grand champ d'amas de galaxies Sunyaev-Zel'dovich - Interet en cosmologie - soutenu le 21 septembre 2005 devant le jury compose de : MM James G. BARTLETT President Ulrich GOERLACH Directeur de these Dominique YVON Co-directeur de these Jean HEYVAERTS Rapporteur interne James G. BARTLETT Rapporteur externe Franc¸ois-Xavier DESERT Rapporteur externe

  • service de physique des particules du dapnia

  • bartlett rapporteur externe

  • amas de galaxies sunyaev-zel'

  • sujets de physique

  • mysteres des separations en composantes independantes et des prior


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Publié le 01 septembre 2005
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Langue Français
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THESE de DOCTORAT de l’UNIVERSITE LOUIS PASTEUR,
STRASBOURG
Specialite :
COSMOLOGIE OBSERVATIONNELLE
presentee par
Jean-Baptiste JUIN
pour obtenir le TITRE de DOCTEUR de l’UNIVERSITE LOUIS PASTEUR
Exploration, par simulation,
des observations grand champ
d’amas de galaxies Sunyaev-Zel’dovich
- Inter^et en cosmologie -
soutenu le 21 septembre 2005 devant le jury compose de :
MM James G. BARTLETT President
Ulrich GOERLACH Directeur de these
Dominique YVON Co-directeur de these
Jean HEYVAERTS Rapporteur interne
James G. BARTLETT Rapporteur externe
Fran cois-Xavier DESERT RapporteurRemerciements
En premier lieu, je tiens a remercier le rectorat de l’academie de Strasbourg pour
avoir nanc e ces trois annees de recherche qui m’ont permis d’obtenir le grade de
docteur. Ceci n’aurait pas ete possible sans l’aide de M. Bing, directeur du DEA de
physique subatomique de Strasbourg ; je le remercie. Je remercie aussi le Service de
Ph des Particules du Dapnia pour m’avoir fourni tous les moyens de realiser ce
travail de recherche, que ce soit au niveau de l’encadrement ou des moyens materiels.
C’est un laboratoire ou il fait bon ^etre en these. Dans ce contexte, je remercie
Bertrand Vallage d’avoir bien voulu ^etre mon parrain de these. Il a su me conseiller
pour assurer le bon avancement de mon travail. Je remercie vivement, par ailleurs,
Yannick Giraud-Heraud, pour m’avoir \heberge" dans les locaux du PCC pendant
les quatres premiers mois de ma these. Je le remercie aussi de m’avoir aide lors de
l’organisation de la soutenance.
Je remercie vivement mon directeur de these et encadrant, Dominique Yvon,
pour sa disponibilite, son experience et pour les nombreuses discussions (parfois en-
amm ees) que nous avons pu^ avoir au cours de ces trois annees, que ce soit sur des
sujets de physique ou sur plein d’autres choses. J’espere vivement pouvoir travailler
a nouveau avec lui dans l’avenir.
Je remercie Ulrich Goerlach, mon directeur de these, pour son aide dans la gestion
de la n de these, moment toujours delicat et qu’il est di cile d’aborder car la somme
de travail augmente avec les derniers resultats.
Je remercie Jean Heyvaerts, Fran cois-Xavier Desert et James G. Bartlett d’avoir
endosse le r^ole de rapporteur. Leurs remarques m’ont permis de grandement ameliorer
le manuscript et m’ont aide a prendre du recul sur mon travail.
Je remercie vivement Alexandre Refregier sans qui ce travail n’aurait pu,^ ni com-
mencer, ni aboutir. Il a ete un guide scienti que disponible et precieux par la variete
de ses competences et connaissances. Les nombreuses discussions que nous avons eu
ont ete riches en enseignements et en consequences sur mon travail.
Je remercie aussi Sandrine Pires et Yassir Moudden pour m’avoir initie, en dou-
ceur, aux mysteres des separations en composantes independantes et des prior en-
tropiques. Ils m’ont aide a accoster au rivage de ce nouveau continent a explorer !
Je remercie par ailleurs, Jean-Pierre Pansart et Christophe Magneville pour
leurs conseils et leur disponibilite. Merci aux habitues du repas de midi, moment
de veritable detente : indispensable.
Pendant la periode au PCC, j’ai pu rencontrer Jean-Baptiste Melin, je le remercie
pour les discussions que nous avons eu alors sur \la these" en general et pour toutes
les discussions que nous avons eu apres. Je lui souhaite une excellente continuation
au SPP.
Merci a mon amie Charlotte, qui m’a soutenu de tout son coeur pendant ces trois
annees. Je remercie surtout mes parents, Philippe et Isabelle, pour leur soutien, total
et immuable.Resume
L’objectif de mon travail de recherche est de preparer l’analyse des donnees des
prochaines observations grand champ d’amas de galaxies par e et Sunyaev Zel’do-
vitch. Pour cela, je mets en place une cha^ ne complete d’outils permettant d’e ectuer
cette etude. Ces outils permettent de mettre en evidence des points critiques des ef-
fets de selection a prendre en compte dans les futures analyses. La cha^ ne d’analyse
est constituee : d’une simulation de ciel observe millimetrique, d’algorithmes origi-
naux d’extraction d’amas SZ a partir des cartes observees, d’un modele statistique
des e ets de selection de la cha^ ne de detection, et en n d’outils d’analyse des ca-
talogues des sources detectees pour contraindre les parametres cosmologiques. Je
m’interesse au cas des experiences multi-frequences dotees de camera bolometrique.
J’applique ces outils a une prospective pour l’experience Olimpo.
Abstract
The goal of my Phd research is to prepare the data analysis of the near future
wide- eld observations of galaxy clusters detected by Sunyaev Zel’dovitch e ect. I
set up a complete chain of original tools to carry out this study. These tools allow
me to highlight critical and important points of selection e ects that has to be ta-
ken into account in future analysis. Analysis chain is composed by : a simulation of
observed millimeter sky, state-of-the-art algorithms of SZ galaxy clusters extraction
from observed maps, a statistical model of selection e ects of the whole detection
chain and, nally , tools to constrain, from detected SZ sources catalog, the cosmolo-
gical parameters. I focus myself on multi-channel experiments equipped with large
bolometer camera. I use these tools for a prospection on Olimpo experiment.Table des matieres
Introduction i
I Cosmologie, amas de galaxies et e et SZ 1
1 Cosmologie 3
1.1 Vers le modele du Big-Bang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.1 Mesure du decalage vers le rouge des spectres galactiques . . . 5
1.1.2 de l’abondance des elements legers . . . . . . . . . . . 5
1.1.3 Observation du rayonnement a 3K . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.4 Le modele du Big-Bang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.5 Le contenu de l’univers aujourd’hui . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.5.1 Les baryons lumineux . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.5.2 La matiere sombre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.5.3 L’energie sombre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2 Description de l’univers homogene et isotrope . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.1 Le principe cosmologique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.2 Relativite et gravitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.3 La metrique de Robertson-Walker . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.4 Le tenseur energie-impulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.5 La dynamique de Friedmann-Lema^ tre . . . . . . . . . . . . . 12
1.2.6 Des quantites importantes pour la suite . . . . . . . . . . . . . 12
1.2.7 Une breve histoire thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3 L’univers inhomogene : de l’in ation au decouplage . . . . . . . . . . 19
1.3.1 L’in ation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.3.2 Evolution du champ de densite . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.3.2.1 La matiere noire, un uide a pression nulle . . . . . . 21
1.3.2.2 Description du melange baryons-photons . . . . . . . 24
1.3.2.3 Echelle caracteristique de l’evolution des surdensites 26
1.3.3 Apres le decouplage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.3.3.1 Le CMB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.3.3.2 Vers la formation des grandes structures . . . . . . . 30
CEA - DAPNIA/SPP JUIN Jean-Baptiste10 TABLE DES MATIERES
2 Amas de galaxies : formation, observations SZ et cosmologie 33
2.1 Les amas : observations multi-longueurs d’onde . . . . . . . . . . . . 35
2.1.1 Premieres etudes en optique : les galaxies . . . . . . . . . . . . 35
2.1.2 L’apport des observations en X : etude du gaz . . . . . . . . . 36
2.1.3 Les observations SZ pointees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.1.4 Le weak lensing : sonder la matiere sombre . . . . . . . . . . . 36
2.1.5 Un amas en quelques chi res . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2 Description individuelle des amas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2.1 Le modele spherique d’e ondremen t gravitationnel . . . . . . 39
2.2.2 Physique de l’etat lie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.2.2.1 Les pro ls de densite . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.2.2.2 Calcul du rayon viriel : R (M) . . . . . . . . . . . . 45v
2.2.2.3 de la temperature : T (z;M) . . . . . . . . . . 45
2.2.3 E ondremen t asymetrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.3 Description statistique des amas : fonction de masse . . . . . . . . . . 47
2.3.1 Formalisme de Press & Schechter . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.3.2 D’autres fonctions de masse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.3.3 Calcul de la distribution en masse et redshift des amas . . . . 50
2.4 Observations par e et SZ thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.5 Amas de galaxies et cosmologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3 L’experience Olimpo : contexte et instrument 59
3.1 Contexte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.2 L’instrument Olimpo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2.1 Telescope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2.2 Cryostat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2.3 Bolometres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2.4 Systeme de pointage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.3 Comparaison avec APEX et Planck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
II Les sondages SZ : e ets de selection et cosmologie 69
4 Simulation d’observation 75
4.1 Le ciel sub-millimetrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.2 Les cartes d’e et SZ thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.2.1 Description des modeles utilises . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.2.2 Calcul des distributions theoriques simulees . . . . . . . . . . 80
4.2.3 de la carte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.3 Les phenomenes physiques \contaminants" . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.3.1 Le CMB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.3.2 Les galaxies infrarouges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.3.3 La poussiere galactique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.3.4 L’atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.4 Spectres d’emissions des sources astrophysiques . . . . . . . . . . . . 90
4.5 Observations multi-frequences bolometriques . . . . . . . . . . . . . . 93
4.5.1 Les frequences d’observation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
CEA - DAPNIA/SPP JUIN Jean-Baptiste