▼ Future radio surveys as the Square Kilometer Array (SKA) and its precursor, the "Meer" Karoo Array Telescope (MeerKAT), will map the Neutral Hydrogen (HI) in large areas of the sky using the intensity mapping (IM). HI IM is currently one of the most promising ways of accessing the Large-Scale Structure of the Universe. The distribution of matter in the Universe not only encodes its composition but also how it evolves and its initial conditions. An effect on the matter distribution that will be detected by the SKA on the post re-ionization Universe are the Baryonic Acoustic Oscillations (BAO). While it has been shown that in single dish mode the SKA can measure the BAO peak in the radial 21cm power spectrum at low redshifts, this possibility has not yet been studied in detail for the MeerKAT. In this thesis we construct a set of full sky simulations to test how well MeerKAT will be able to extract the BAO wiggles along the line of sight. These simulations are done for the frequencies corresponding to MeerKAT L-band. The maps combine the cosmological HI signal, systematic noise, cosmological foregrounds and the instrumental telescope beam. A model-independent estimator is used to extract the BAO wiggles by subtracting a smooth polynomial component from the 21cm radial power spectrum. We test with simulations if this estimator is biased and the signal to noise of the extraction. We conclude that we are able to remove contaminants and recover the cosmological HI signal while not risking the recovery of the BAO signal. We investigate the effects of varying the sky area and the observational hours on the signal to noise ratio for the BAO wiggles. We found that for a HI IM experiment using MeerKAT, the optimal sky area to detect the BAO along the line of sight is 50% of the sky. With a signal-to-noise ratio of 3.37. This can be achieved with 2000 hours of exposure time Advisors/Committee Members: Santos, Mario (advisor), Fonseca, José (advisor).

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J'ai démontrer la faisabilité de la sélection de la cible pour les galaxies en ligne des émissions lumineuses. Je comprends maintenant les principaux mécanismes physiques de conduite de l'efficacité d'une sélection, en particulier le rapport à la photométrie de parent. Une question reste perplexe, je ne pouvais pas encore estimer quantitativement l'impact de la poussière sur l'efficacité de la sélection. J'espère que d'aborder cette question avec l'ensemble des données décrites dans le chapitre 4.En dehors de la ligne de sélection de la cible de la galaxie d'émission, j'ai étudié, au premier ordre, les deux principales erreurs systématiques sur la détermination de l'échelle BAO nous attendent en raison de l'utilisation galaxies en ligne des émissions comme traceurs de la question. J'ai d'abord montré le caractère incomplet de la distribution redshift, en raison de la mesure du décalage spectral avec [Oii], est lié à la résolution instrumentale. Je trouve qu'il ya deux régimes intéressants. Pour une observation des plus brillants [OII] émetteurs, une résolution modérée est suffisante, alors que pour une enquête plus faible, la plus haute de la résolution le meilleur. Deuxièmement, j'ai estimé le biais de la galaxie linéaire des sélections discuté avant et je trouve qu'ils sont très biaisés. D'une part, ce sont d'excellentes nouvelles pour les observateurs, comme le temps nécessaire pour observer à un signal donné au bruit dans le spectre de puissance diminue avec le carré de la partialité. D'autre part, elle constitue un nouveau défi pour les algorithmes de reconstruction et la fabrication de catalogues simulacres.

In this PhD, I demonstrate the feasibility of the target selection for bright emission line galaxies. Also I now understand the main physical mechanisms driving the efficiency of a selection, in particular the relation to the parent photometry. A puzzling issue remains, I could not yet estimate quantitatively the impact of the dust on the selection efficiency. I hope to address this question with the data set described in chapter 4.Apart from the emission line galaxy target selection, I investigated, at first order, the two main systematic errors on the determination of the BAO scale we expect due to using emission line galaxies as tracers of the matter. First I showed the incompleteness in the redshift distribution, due to the measurement of the redshift with [Oii], is related to the instrumental resolution. I find there are two interesting regimes. For an observation of the brightest [Oii]emitters, a moderate resolution is sufficient, whereas for a fainter survey, the highest the resolution the best. Secondly, I estimated the linear galaxy bias of the selections discussed before and I find they are highly biased. On one hand, this is great news for the observers, as the time required to observed at a given signal to noise in the power spectrum decreases with the square of the bias. On the other hand, it constitutes a new challenge for reconstruction algorithms and the making of mock catalogs. The work…

Advisors/Committee Members: Kneib, Jean-Paul (thesis director), Schimd, Carlo (thesis director).

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Il y a presque dix ans que l'accélération de l'expansion de l'Univers a été mise en évidence grâce aux observations des supernovae de type Ia et du fonds diffus cosmologique. Cette découverte a changé notre compréhension du contenu énergétique de l'Univers puisque pour expliquer une telle accélération, une composante supplémentaire de matière (effective ou non) est nécessaire et contribue à hauteur de 70%. Cette dernière est appelé «énergie noire». Elle affecte aussi bien les mesures de distance, que la croissance des sur-densités de matières primordiales qui donnent naissance aux structures. Les principales sondes sensibles à ces deux dernières quantités sont les supernovae de type Ia, les amas de galaxies, les lentilles gravitationnelles, et les oscillations acoustiques des baryons (BAO). Afin de contraindre précisément les modèles théoriques (Constante Cosmologique, modification de la théorie de la relativité générale par exemple) qui tentent de déterminer la nature de l'énergie noire, l'observation de chacune de ces quatre sondes est indispensable. Le niveau de précision sur la mesure des paramètres des modèles d'énergie noire requis est tel qu'une nouvelle génération d'instruments va voir le jour dans les années à venir avec notamment le télescope LSST (Large Synoptic Survey Telescope). Le télescope LSST dont le miroir primaire fait 8.4 mètres de diamètre, produira un sondage couvrant la moitié du ciel observable dans 6 bandes photométriques pendant 10 ans. Sa caméra sera la plus grosse caméra jamais construite dans le monde avec un plan focal de 3.2 milliards de pixels. Cette thèse présente à la fois un aspect expérimental et phénoménologique. Le travail présenté porte tout d'abord sur l'élaboration du banc d'étalonnage de la caméra de LSST, et des premières mesures optiques validant le schéma de principe du banc. Nous présenterons ensuite la simulation des BAO dédiée à LSST tentant de prédire à quelle précision les paramètres d'énergie noire pourront être contraint. L'accent est mis sur la production d'un catalogue photométrique de galaxies simulé ainsi que sur une méthode de calcul des redshifts photométriques. La validation de la méthode grâce à des données spectro-photométriques du CFHTLS est également présentée.

More than ten years ago, the accelerated expansion of the Universe was discovered, by type Ia supernovae, and then confirmed by other probes. This discovery has changed our understanding of the energetic content of the Universe. Indeed, in order to explain such an acceleration, a new component has to be introduced and it must contribute to 70% of the total energy density. This component, the so called Dark Energy, affects both cosmological distances and the growth of structures from which galaxies originates. The main cosmological probes of dark energy are the type Ia supernovae, the galaxy cluster count, the weak gravitational lensing and the baryon acoustic oscillations (BAO). In order to precisely constrain theoretical models, such as the cosmological constant, a modify gravity or a new…

Advisors/Committee Members: Barrau, Aurélien (thesis director).

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La propagation des oscillations acoustiques baryoniques a laissé une empreinte dans la répartition de la matière de l’univers, visible sous la forme d’un excès de probabilité pour deux objets d’être séparés par une distance égale à l’échelle acoustique. La mesure de l’échelle acoustique dans la fonction de corrélation à deux points de la matière au redshift z, parallèlement et perpendiculairement à la ligne de visée donne accès, respectivement, aux rapports DH(z)/rd et DM(z)/rd où DH est la distance de Hubble, DM la distance angulaire comobile et rd l’horizon acoustique. On peut suivre la répartition de la matière en utilisant les absorptions Lyman-alpha visibles, sous la forme de forêts, dans les spectres des quasars à haut redshift. Puisque chaque spectre donne accès une centaine d’absorptions, cela permet de mesurer l’échelle acoustique même quand la densité de quasars observés est faible. Dans cette thèse, je décris le processus d’analyse qui, en utilisant environ 200 000 spectres de quasars du relevé eBOSS-SDSS IV, aboutit aux mesures DH(2.34)/rd = 8.86+/-0.29 et DM(2.34)/rd = 37.41+/-1.86. En combinant ces résultats avec les mesures de l’échelle acoustique à d’autres redshifts, j’obtiens la plus forte contrainte actuelle, à bas redshift, sur les paramètres Omega-m et Omega-Lambda dans le cadre du modèle Lambda-CDM.

The propagation of the baryonic acoustic oscillations has been unprinted in the matter distribution in the Universe as a probability excess for two objets to be separated by the acoustic scale. Measuring the acoustic scale in the matter 2 point correlation function at redshift z, along and transversally to the line-of-sight, gives access to the DH(z)/rd et DM(z)/rd ratios, with DH the Hubble distance, DM the comoving angular distance and rd the acoustic horizon. We are able to trace the matter in the Universe by using the Lyman-alpha absorptions which shape the spectra of the high redshift quasars. Since each spectrum contain hundreds of absorption, this allow us to measure the acoustic scale even if the observed quasar density is low. In this thesis, I describe the analysis of about 200,000 spectra from the eBOSS-SDSS IV survey which conducts to the measurements DH(2.34)/rd = 8.86 0.29 et DM(2.34)/rd = 37.41 1.86. By combining these results with measurements of the acoustic scale at other redshifts, I obtain the strongest current constraints at low redshift on the Omega-m and Omega-Lambda Lambda-CDM parameters.

Advisors/Committee Members: Balland, Christophe (thesis director).

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The method of baryon acoustic oscillation (BAO) is among the best probes of the dark energy equation of state, and worldwide efforts are being invested in order to perform measurements that are accurate at the percent level. In current data analyses, however, estimates of the error about the BAO are based on the assumption that the density field can be treated as Gaussian, an assumption that becomes less accurate as smaller scales are included in the measurement. It was recently shown from large samples of N-body simulations that the error bars about the BAO obtained this way are in fact up to 15-20 per cent too small. This important bias has shaken the confidence in the way error bars are calculated, and is motivating developments of analyses pipelines that include non-Gaussian features in the matter density fields. In this thesis, we propose general strategies to incorporate non-Gaussian effects in the context of a survey. After describing the high performance N-body code that we used, we present novel properties of the non-Gaussian uncertainty about the matter power spectrum, and explain how these combine with a general survey selection function. Assuming that the non-Gaussian features that are observed in the simulations correspond to those of Nature, this approach is the first unbiased measurement of the error bar about the power spectrum, which simultaneously removes the undesired bias on the BAO error. We then relax this assumption about the similitude of the non-Gaussian natures in simulations and data, and develop tools that aim at measuring the non-Gaussian error bars exclusively from the data. It is possible to improve the constraining power of non-Gaussian analyses with `Gaussianizations' techniques, which map the observed fields into something more Gaussian. We show that two of such techniques maximally recover degrees of freedom that were lost in the gravitational collapse. Finally, from a large sample of high resolution N-body realizations, we construct a series of weak gravitational lensing distortion maps and provide high resolution halo catalogues that are used by the CFTHLenS community to calibrate their estimators and study many secondary effects with unprecedented accuracy.

PhD

Advisors/Committee Members: Pen, Ue-Li, Physics.

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L'étude de la structure à grande échelle de l'univers est l'un des éléments les plus importants pour comprendre l'origine et l'évolution de l'Univers. Les amas de galaxies qui se sont formés à partir d'effondrements gravitationnels dans le champ de densité cosmique sont les plus grandes structures gravitationnelles liées. En utilisant la corrélation à deux points, nous pouvons quantifier le regroupement des galaxies aux échelles spatiale et angulaire. Le catalogue d’amas de la mission Planck contient des sources détectées par l'effet Sunyaev-Zel’dovich (SZ) pendant les 29 mois d’observation de la mission. C'est le plus grand catalogue d’amas SZ existant. Il couvre environ 85% du ciel. Dans cette thèse, nous étudions la fonction de corrélation angulaire à deux points w (thêta) de ce catalogue. Nous avons obtenu une indication d’un signal de regroupement des amas de Planck avec décalage vers le rouge inférieur à 0,4 et un rapport signal sur bruit SNR ≥ 6. Nous avons aussi détecté significatif pour un décalage vers le rouge z <0,2 et SNR ≥ 6. La corrélation des amas de Planck s'avère tout à fait compatible avec notre prédiction. Nous explorons également le potentiel de la fonction de corrélation à deux points ξ (r) du catalogue de halos de matière noire de la simulation Flagship Euclid. Euclid est une mission spatiale en cours de développement visant à étudier l’énergie noire et la matière noire en mesurant l’expansion accélérée de l’univers. Nous avons trouvé que la corrélation entre les halos de matière noire de la simulation Flagship évolue avec le décalage vers le rouge. Sur des échelles inférieures à 60 h-1 Mpc, la corrélation du halo de matière noire est bien ajustée par une loi de puissance avec une longueur de corrélation entre 16 et 19 h-1 Mpc selon le décalage vers le rouge. Nous avons également mis en évidence la signature BAO (Baryonic Acoustic Oscillations) dans les groupes avec décalage vers le rouge z> 0,2. Enfin, nous montrons également, dans le contexte du défi scientifique 3 du consortium Euclid, les résultats de la validation de données de simulations des données externes nécessaires à Euclid. Dans cette partie, nous présentons des méthodes pour mesurer la photométrie, des outils astronomiques pour mesurer l'astrométrie, extraire des objets d'une image astronomique.

Studying the large-scale structure of the universe is one of the most important elements to understand the origin and evolution of the universe. Galaxy clusters which formed from gravitational collapses in the cosmic density field are the largest gravitationally bound structures. Using the two-point correlation we can quantify the clustering of galaxy clusters in both spatial and angular scales. Many galaxy surveys have been carried out for similar purpose. The Planck Sunyaev-Zel’dovich (SZ) cluster catalog contains sources detected through the SZ effect from the 29-month full sky Planck mission. This is the largest SZ cluster catalog and it covers about 85% of the sky. In this thesis, we investigate the angular two-point correlation…

Advisors/Committee Members: Beckmann, Volker (thesis director), Rosset, Cyrille (thesis director).

▼ This thesis presents work around 3 themes: dark energy, gravitational waves and Bayesian inference. Both dark energy and gravitational wave physics are not yet well constrained. They present interesting challenges for Bayesian inference, which attempts to quantify our knowledge of the universe given our astrophysical data. A dark energy equation of state reconstruction analysis finds that the data favours the vacuum dark energy equation of state w {=} -1 model. Deviations from vacuum dark energy are shown to favour the super-negative ‘phantom’ dark energy regime of w {<} -1, but at low statistical significance. The constraining power of various datasets is quantified, finding that data constraints peak around redshift z = 0.2 due to baryonic acoustic oscillation and supernovae data constraints, whilst cosmic microwave background radiation and Lyman-α forest constraints are less significant. Specific models with a conformal time symmetry in the Friedmann equation and with an additional dark energy component are tested and shown to be competitive to the vacuum dark energy model by Bayesian model selection analysis: that they are not ruled out is believed to be largely due to poor data quality for deciding between existing models. Recent detections of gravitational waves by the LIGO collaboration enable the first gravitational wave tests of general relativity. An existing test in the literature is used and sped up significantly by a novel method developed in this thesis. The test computes posterior odds ratios, and the new method is shown to compute these accurately and efficiently. Compared to computing evidences, the method presented provides an approximate 100 times reduction in the number of likelihood calculations required to compute evidences at a given accuracy. Further testing may identify a significant advance in Bayesian model selection using nested sampling, as the method is completely general and straightforward to implement. We note that efficiency gains are not guaranteed and may be problem specific: further research is needed.

▼ This thesis presents work around 3 themes: dark energy, gravitational waves and Bayesian inference. Both dark energy and gravitational wave physics are not yet well constrained. They present interesting challenges for Bayesian inference, which attempts to quantify our knowledge of the universe given our astrophysical data. A dark energy equation of state reconstruction analysis finds that the data favours the vacuum dark energy equation of state w {=} -1 model. Deviations from vacuum dark energy are shown to favour the super-negative ‘phantom’ dark energy regime of w {< } -1, but at low statistical significance. The constraining power of various datasets is quantified, finding that data constraints peak around redshift z = 0.2 due to baryonic acoustic oscillation and supernovae data constraints, whilst cosmic microwave background radiation and Lyman-α forest constraints are less significant. Specific models with a conformal time symmetry in the Friedmann equation and with an additional dark energy component are tested and shown to be competitive to the vacuum dark energy model by Bayesian model selection analysis: that they are not ruled out is believed to be largely due to poor data quality for deciding between existing models. Recent detections of gravitational waves by the LIGO collaboration enable the first gravitational wave tests of general relativity. An existing test in the literature is used and sped up significantly by a novel method developed in this thesis. The test computes posterior odds ratios, and the new method is shown to compute these accurately and efficiently. Compared to computing evidences, the method presented provides an approximate 100 times reduction in the number of likelihood calculations required to compute evidences at a given accuracy. Further testing may identify a significant advance in Bayesian model selection using nested sampling, as the method is completely general and straightforward to implement. We note that efficiency gains are not guaranteed and may be problem specific: further research is needed.