Contraintes cosmologiques par analyse tomographique du BAO avec Euclid

Stage numéro : Doctorat-2023-RE-01
Laboratoire :Centre de Physique des Particules de Marseille Case 902
 163 avenue de Luminy - 13288 Marseille Cedex 9
Directeur :Cristinel Diaconu - 04.91.82.72.01 - diaconu@cppm.in2p3.fr
Correspondant :William Gillard - 04.91.82.72.67 - gillard@cppm.in2p3.fr
Groupe d'accueil :Renoir
Chef de groupe :Dominique Fouchez - 04.91.82.72.49 - fouchez@cppm.in2p3.fr
Directeur de thèse :Stéphanie Escoffier / William GILLARD - 491827667 - gillard@cppm.in2p3.fr

Thématique : Cosmologie observationnelle

(English bellow)

Les diverses observations de l’Univers indiquent depuis vingt ans maintenant que l’expansion de l’Univers est accélérée. Le modèle standard de la cosmologie, dit modèle LCDM, décrit l’Univers comme composé de 27% de matière noire et de 68% d’énergie noire. Comprendre la nature de ces deux composantes énergétiques demeure l’un des plus grands défis de la physique contemporaine.

Depuis la dernière décennie, les grands sondages spectroscopiques de galaxies ont joué un rôle majeur, en particulier avec l’étude de l’échelle des oscillations acoustiques baryoniques (BAO) mesurée dans la distribution des galaxies, comme dans SDSS (Alam et al. 2016; Anderson et al. 2014; Eisenstein et al. 2005), WiggleZ (Blake et al. 2011) ou 6dFGS (Beutler et al. 2011). La signature de l’empreinte BAO peut également être mesurée dans des sondages purement photométriques, comme dans le Dark Energy Survey (DES) (Abbott et al. 2019). La difficulté principale est que les redshifts photométriques sont beaucoup moins précis que ceux obtenus par spectroscopie, ne permettant pas de mener des analyses de clustering dites tridimensionnelles. La mesure est alors réalisée à l’aide de la fonction de corrélation angulaire w ou du spectre de puissance angulaire Cl dans plusieurs tranches de redshift (méthode de tomographie).

Le sujet de la thèse proposée est de mesurer l’échelle BAO par une analyse tomographique sur les données photométriques et spectroscopiques d’Euclid.

Euclid est la mission spatiale dédiée à l’étude de l’énergie noire et de la matière noire dans l’Univers. Euclid a été sélectionné par l’Agence Spatiale Européenne (ESA) en 2011 et sera lancé en 2022 pour sonder l’Univers pendant 6 ans. Deux instruments seront embarqués à bord d’Euclid, un imageur dans le domaine visible, l’instrument VIS, qui permettra d’observer des milliards de galaxies, et un spectrophotomètre dans le domaine infrarouge, l’instrument NISP, qui mesurera le spectre de 50 millions de galaxies sur un domaine en redshift de 1<z<2 (Laureijs et al. 2011).

La première étape du travail de thèse consistera à calibrer les redshifts photométriques (photo-z) d’Euclid à partir de l’échantillon spectroscopique. Cette étape se fera dans un premier temps à partir de la simulation Flagship d’Euclid qui contient plus de 3 millions d’objets. Puis il s’agira de développer les outils de clustering angulaire afin d’extraire le signal BAO à partir de l’échantillon photométrique, ainsi qu’à partir de l’échantillon spectroscopique par analyse tomographique. Cette analyse requiert d’optimiser la chaine de traitement afin de pouvoir traiter plus d’un millier de mocks pour le calcul des matrices de covariance. Les effets systématiques comme l’influence de la cosmologie fiducielle, les erreurs photo-z, les biais seront attentivement étudiés. La dernière étape sera d’appliquer toute la chaine d’analyse sur les données Y1 d’Euclid.

Cette thèse pourra être précédée d’un stage niveau Master 2.

Un financement CNES sera demandé pour cette thèse.

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Title: BAO measurement from angular clustering with photometric and spectroscopic Euclid data

Since the last twenty years, various observations indicate that the expansion of the Universe is accelerated. The standard model of cosmology, called the LCDM model, describes the Universe as composed of 27% of dark matter and 68% of dark energy. Understanding the nature of these two energy components remains one of the greatest challenges of contemporary physics.

Since the last decade, large spectroscopic galaxy surveys have played a major role in the study of these components through measurement of the scale of the baryonic acoustic oscillations (BAO) that is measured in the distribution of galaxies: SDSS (Alam et al., 2016 Anderson et al., 2014, Eisenstein et al., 2005), WiggleZ (Blake et al., 2011) or 6dFGS (Beutler et al., 2011). The signature of the BAO footprint can also be measured with purely photometric probes, as in the Dark Energy Survey (DES) (Abbott et al., 2019). The main difficulty is that the photometric redshifts are much less precise than those obtained by spectroscopy, not allowing to conduct so-called three-dimensional clustering analyzes. The measurement is then performed using the angular correlation function or the angular power spectrum in several redshift slices so called tomography method.

The subject of the proposed thesis is to measure the BAO scale by a tomographic analysis on the photometric and spectroscopic data of Euclid.

Euclid is the space mission dedicated to the study of dark energy and dark matter in the Universe. Euclid was selected by the European Space Agency (ESA) in 2011 and will be launched in 2022 to probe the Universe for 6 years. Two instruments will be aboard Euclid, an visible imager the VIS instrument, which will allow to observe billions of galaxies, and a near-infrared spectrophotometer, the NISP instrument, which will measure the spectrum of 50 million galaxies on a redshift domain of 1 <z <2 (Laureijs et al., 2011).

The first step of the PhD work will be to calibrate Euclid's photometric redshifts (photo-z) from the spectroscopic sample. This step will be done initially from Euclid's Flagship simulation which contains more than 3 million objects. Then we will develop the angular clustering tools to extract the BAO signal from the photometric sample, as well as from the spectroscopic sample by tomographic analysis. This analysis requires the optimization of the processing chain in order to process more than a thousand mocks for the calculation of covariance matrices. Systematic effects such as the influence of fiducial cosmology, photo-z errors, biases will be carefully studied. The final step will be to apply the entire chain of analysis to the first year of the Euclid data.

Références bibliographiques :

Abbott, T. M. C. et al. 2019. “Dark Energy Survey Year 1 Results: Measurement of the Baryon Acoustic Oscillation Scale in the Distribution of Galaxies to Redshift 1.” Mon.Not.Roy.Astron.Soc. 483(4): 4866–83.

Alam, S. et al. 2016. “The Clustering of Galaxies in the Completed SDSS-III Baryon Oscillation Spectroscopic Survey: Cosmological Analysis of the DR12 Galaxy Sample.” Mon.Not.Roy.Astron.Soc. arXiv:1607.03155 [astro-ph.CO] - .

Anderson, L. et al. 2014. “The Clustering of Galaxies in the SDSS-III Baryon Oscillation Spectroscopic Survey: Baryon Acoustic Oscillations in the Data Release 10 and 11 Galaxy Samples.” Month. Not. Royal Astron. Soc. 441: 24-62.

Beutler, Florian et al. 2011. “The 6dF Galaxy Survey: Baryon Acoustic Oscillations and the Local Hubble Constant.” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 416: 3017–32.

Blake, Chris et al. 2011. “The WiggleZ Dark Energy Survey: Mapping the Distance-Redshift Relation with Baryon Acoustic Oscillations.” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 418(3): 1707–24.

Eisenstein, Daniel J. et al. 2005. “Detection of the Baryon Acoustic Peak in the Large-Scale Correlation Function of SDSS Luminous Red Galaxies.” The Astrophysical Journal 633: 560–74.

Laureijs, R. et al. 2011. “Euclid Definition Study Report.” arXiv:1110.3193.