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Mesure de la forêt Lyman-alpha à petite échelle avec le relevé DESI : à la recherche de la matière noire et des neutrinos.

Astrophysique Physique corpusculaire et cosmos

Résumé du sujet

La distribution de la matière aux échelles cosmologiques peut être prédite dans le cadre du modèle cosmologique standard. Elle dépend entre autres de la masse absolue des neutrinos (encore inconnue) et des propriétés de la matière noire, dont la nature est un grand mystère scientifique. L'équipe de cosmologie de l'IRFU-DPhP, qui regroupe une dizaine de chercheurs permanents, est fortement impliquée dans le relevé du ciel DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument). DESI est le premier des projets de nouvelle génération dont le but est de cartographier les structures à grande échelle dans l'Univers. Le télescope DESI, situé en Arizona, a commencé ses observations en 2021 et fournira dans les années à venir une carte 3D sans précédent de l'Univers.

Cette thèse propose d'analyser et d'interpréter les observations DESI de la forêt dite Lyman-alpha, qui mesure l'absorption par le milieu intergalactique de la lumière provenant de quasars distants situés à des redshifts z ~ 2 - 4. Les observations Lyman-alpha fournissent la seule mesure de la distribution de la matière à la fois aux "petites" échelles cosmologiques (~megaparsec) et dans l'Univers primitif (10 à 12 milliards d'années, juste 2 milliards d'années après le Big Bang).

Le doctorant participera à l'analyse des données complètes de la forêt Lyman-alpha DESI-Y1 ("Year-1") à Y3. Il/elle améliorera notre compréhension des effets instrumentaux et astrophysiques qui sont cruciaux pour cette mesure. Nous proposons que l'étudiant développe une méthode originale pour reconstruire le spectre de puissance statistique complet à 3D des fluctuations de la matière, à partir des données 1D de la forêt Lyman-alpha. Il/elle utilisera pour cela des techniques de reconstruction tomographique déjà exploitées par le groupe.

Dans une deuxième partie de la thèse, l'étudiant interprétera les données Lyman-alpha pour mesurer les propriétés de la matière noire et des neutrinos. L'intensité et la pente du spectre de puissance Lyman-alpha dépendent notamment de la somme des masses des neutrinos. Elles dépendent également d'autres paramètres cosmologiques, de sorte que pour briser les dégénérescences, les données Lyman-alpha seront combinées aux mesures du fond diffus cosmologique (CMB). Actuellement, la combinaison CMB+Lyman-alpha limite déjà la masse des neutrinos à moins de ~110 milli-eV (la meilleure limite supérieure), alors que la physique des particules nous dit qu'elle devrait être de 60 milli-eV ou plus. En améliorant les mesures et les combinaisons de données, nous espérons donc nous rapprocher d'une première détection. Ce travail sera basé sur des ensembles dédiés de simulations cosmologiques exécutées sur des infrastructures HPC. En fonction de ses affinités, l'étudiant pourra utiliser des algorithmes d'apprentissage automatique pour optimiser l'exploitation de ces simulations afin de déduire des paramètres cosmologiques à partir des données.

Laboratoire

Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’univers
Service de Physique des Particules
Groupe Cosmologie (GCOSMO)
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