Thèse

La cosmologie moderne fait aujourd’hui face à des défis majeurs. D’une part, le modèle standard dit LambdaCDM repose sur deux composantes, l’énergie noire et la matière noire, dont les effets sont maintenant bien mesurés mais dont la nature fondamentale reste inconnue. D’autre part, à mesure que la précision des observations s’affine, des fissures de plus en plus grandes apparaissent dans LambdaCDM. En particulier, les mesures dites du pic BAO (oscillations acoustiques de baryons) du grand relevé spectroscopique DESI permettent de mesurer l’expansion de l’univers au cours de l’histoire cosmique : si on les interprète dans le cadre de LambdaCDM, les résultats obtenus jusqu’à présent sont difficilement réconciliables avec les mesures du fond diffus cosmologique (CMB). Cette « tension » pourrait être causée par exemple par des propriétés dynamiques de l’énergie noire, ou bien par d’autres nouveaux phénomènes physiques. Elle focalise une très large attention de la communauté : au cours des deux dernières années, les articles DESI sur ce sujet figurent en tête des articles les plus cités dans l’ensemble des domaines de l’astrophysique et physique des particules. Pour trancher entre les différentes hypothèses mises en avant dans ce cadre, une voie s’impose : exploiter de nouvelles mesures indépendantes et plus précises.

Le but de cette thèse est précisément d’obtenir les mesures cosmologiques les plus précises qui soient à grand décalage spectral (z > 2), correspondant aux premiers milliards d’années de l’Univers, et permettant de trancher entre différents modèles cosmologiques. Pour cela, on utilisera la meilleure sonde de la distribution de matière à ces redshifts, la forêt Lyman-alpha, qui est un ensemble de raies d’absorption mesurées dans les spectres de sources lointaines. Ces raies fournissent une véritable tomographie du cosmos primitif, à des redshifts inaccessibles aux relevés de galaxies et donc complémentaires des autres sondes. La thèse se fera directement au sein de la collaboration DESI, qui a déjà collecté un million de ces spectres Lyman-alpha, de loin le meilleur échantillon disponible mondialement. En mesurant la fonction de corrélation à deux points de ces données, de manière analogue aux galaxies, on peut mesurer le pic BAO et en déduire les échelles de distance cosmique : la mesure DESI DR2 en Lyman-alpha a déjà atteint une précision agrégée de 0.7%. Le but de la thèse sera d’une part, d’améliorer cette mesure de manière significative grâce au développement de méthodes inédites; et d’autre part d’exploiter l’information contenue dans les données sur l’ensemble du champ de matière, à d’autres échelles que celles du pic BAO, pour contraindre les modèles cosmologiques.

Cette thèse s’effectuera au sein du groupe de cosmologie de l’IRFU/DPhP (CEA Paris-Saclay), qui occupe une position de premier plan dans l’analyse de la forêt Lyman-alpha depuis plus d’une décennie, et qui joue un rôle majeur dans la collaboration DESI depuis le début de ce projet. En particulier, l’étudiant(e) sera membre actif du Working Group Lyman-alpha de DESI, co-dirigé par Eric Armengaud de 2024 à 2026, et interagira étroitement avec nos partenaires européens et américains au sein de cette structure.

Pour extraire le maximum d’information cosmologique des données, les innovations apportées par la thèse sont les suivantes:
– Améliorer la précision du BAO. L’étudiant(e) développera pour la première fois une méthode dite de reconstruction du BAO pour la forêt Lyman-alpha: cette méthode est déjà éprouvée sur les galaxies mais nécessite des innovations techniques pour être appliquée au Lyman-alpha. En corrigeant partiellement les effets des mouvements gravitationnels ayant brouillé le signal BAO, elle permettra de réduire l’incertitude sur la position du pic BAO et d’affiner la mesure du taux d’expansion cosmique. Elle nécessitera des validations sur données simulées, avant d’être appliquée, dans le cadre de la thèse, aux données DESI DR3 et DR4.
– Exploiter l’ensemble des échelles accessibles du champ de densité de matière pour la cosmologie. En lien avec des efforts similaires menés dans notre groupe avec les galaxies de DESI, l’étudiant(e) implémentera une nouvelle méthode dite de simulation-based inference (SBI), qui permet d’exploiter l’ensemble du champ de densité, y compris dans le régime non-linéaire, en se basant sur des simulations numériques. Ce travail ouvrira la voie à des analyses combinées inédites et à des contraintes multi-sondes sur le taux de croissance des structures cosmiques ou les non-gaussianités primordiales, une signature de l’inflation.

Ces deux contributions s’inscrivent directement dans la livraison des résultats cosmologiques finaux de DESI avec la forêt Lyman-alpha — une étape décisive au moment même où la cosmologie mondiale s’interroge sur les fondements de son modèle standard. En exploitant de manière optimale des données sans équivalent mondial et en inaugurant des méthodes d’analyse de nouvelle génération, cette thèse apportera des contraintes parmi les plus compétitives existantes sur la nature de l’énergie noire et contribuera à déterminer si les tensions actuelles sont le signe de physique nouvelle.

Cette thèse sera de préférence précédée d’un stage de recherche dans l’équipe.