Vers une meilleure compréhension du signal Galactique polarisé en quête de nouvelle physique fondamentale dans le fond diffus cosmologique

Soutenance de thèse de Léo Vacher (Salle de Conférence)

Résumé de la thèse :

Cette thèse couvre des aspects instrumentaux et théoriques en passant par l’analyse de données, tous liés au fond diffus cosmologique (CMB), sur lequel notre compréhension moderne de la cosmologie est largement fondée. Les défis contemporains se concentrent sur son signal polarisé, contenant des informations précieuses sur les premières phases de l’histoire de notre Univers. Cependant, la détection de ce signal de faible intensité demande la construction d’instruments extrêmement sensibles ainsi qu’une caractérisation sans précédent des émissions polarisées d’avant-plans de notre Galaxie. J’ai ainsi contribué à l’optimisation de la future mission satellite LiteBIRD ciblant les modes-B primordiaux, signature de la présence d’ondes gravitationnelles dans le plasma primordial laissées par une phase d’inflation dans les premières fractions de secondes suivant la naissance de notre Univers. En tant que membre actif de la collaboration, j’ai contribué à la production et au test de simulations instrumentales ainsi qu’à l’optimisation de la scanning strategy afin de mitiger l’impact de l’asymétrie des far side lobes sur les objectifs scientifiques.

Basé sur le défi représenté par une mission si sensible, je me suis fortement investi sur la problématique visant à séparer le signal du CMB de celui de notre Galaxie. J’ai exploré en grand détail l’expansion en moments, une méthode permettant de modéliser la complexité spectrale émergeant de la variation spatiale des propriétés physiques induisant l’emission du signal de notre Galaxie. J’ai appliqué cette méthode à LiteBIRD, prouvant que l’expansion en moments fournit une direction viable pour retrouver une valeur non biaisée de l’amplitude des modes-B primordiaux. J’ai ensuite développé la première généralisation formelle de cette méthode pour le signal polarisé : l’expansion en spin-moments, permettant un traitement des propriétés géométriques uniques à la polarisation. Ce nouveau développement est riche en interprétations physiques et relie les distributions des paramètres spectraux et des orientations du champ magnétique avec les consequences obtenues lorsqu’on on les moyenne telle que la dépendance spectrale de l’angle total de polarisation. Poursuivant cette direction au niveau des modes-E et –B, je montre que de nouvelles conséquences observables peuvent être prédites et modélisées par l’expansion en spin-moments, telles que la dépendance en fréquence du rapport E/B et les distorsions du signal EB des avant-plans Galactiques. Ces effets devront être proprement traités en quête des signaux laissés par l’inflation ou par la biréfringence cosmique, induite par la présence de mécanisme violant la parité dans l’Univers primordial. En plus de cette contribution principale, j’explore brièvement la possibilité d’utiliser le scattering transform pour modéliser conjointement la complexité statistique fréquentielle et spatiale de l’émission polarisée de la poussière pour produire des synthèses et des débruitages multifréquences.

En parallèle, j’ai mené d’autres développements concernant les aspects les plus fondamentaux de nos théories physiques pouvant être sondés par les observables cosmologiques telles que le CMB. En investiguant la stabilité des constantes fondamentales sur les échelles de temps cosmologiques, je dérive les dernières contraintes en date sur les modèles de Bekenstein et du runaway dilaton dans lesquels la constante de structure fine – quantifiant la force de l’interaction électromagnétique – peut varier au cours de l’évolution cosmique. Pour les deux modèles, les contraintes sont si resserrées que les valeurs attendues pour les paramètres sont exclues. Toute théorie au delà du modèle standard de la physique des particules devra alors pouvoir rendre compte de la stabilité observée des constantes fondamentales. Ces travaux ont conduit au développement d’une version publique du Boltzmann solver code CLASS incluant la variation temporelle de la constante de structure fine.

Composition du jury de thèse :

• Rapporteurs: Jean-Philippe Uzan, Marc-Antoine Miville-Deschênes
• Examinateurs: Alain Blanchard, , Carlo Baccigalupi, Nicoletta Krachmalnicoff.
• Superviseurs: Jonathan Aumont, Ludovic Montier