Thèse Méga-Analyse Cosmologique Multi-Sonde du Relevé Desi Inférence Bayésienne Standard et au Niveau du Champ H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique École doctorale : Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Image, Cosmos et Simulation Laboratoire de recherche : Département de Physique des Particules Direction de la thèse : Christophe YECHE ORCID 0000000151468533 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-10T23:59:59 Les grandes structures de l'Univers (LSS) sont sondées par plusieurs observables : distribution des galaxies, lentillage faible des galaxies et du fond diffus cosmologique (CMB). Chacune permet de tester la gravité à grande échelle et l'énergie noire, mais leur analyse jointe assure le meilleur contrôle des paramètres de nuisance et fournit les contraintes cosmologiques les plus précises.

Le relevé spectroscopique DESI cartographie la distribution 3D de galaxies. À la fin de son relevé nominal de 5 ans cette année, il aura observé 40 millions de galaxies et quasars (dix fois plus que les relevés précédents) sur un tiers du ciel, jusqu'à un décalage spectral de $z=4.2$. En combinant ses données avec celles du CMB et des supernovae, la collaboration a mis en évidence une éventuelle déviation de l'énergie noire par rapport à la constante cosmologique.

Pour tirer pleinement parti de ces données, DESI a lancé une 'méga-analyse' combinant galaxies, lentillage de galaxies (Euclid, UNIONS, DES, HSC, KIDS) et du CMB (Planck, ACT, SPT), visant à produire les contraintes les plus précises jamais obtenues sur l'énergie noire et la gravité. L'étudiant jouera un rôle clé dans le développement et la mise en oeuvre de cette chaîne d'analyse multi-sonde.

L'analyse standard compresse les observations en spectre de puissance pour l'inférence cosmologique, mais cette approche reste sous-optimale. L'étudiant développera une alternative, dite analyse au niveau du champ, qui consiste à ajuster directement le champ de densité et de lentillage observé, simulé à partir des conditions initiales de l'Univers. Ceci constitue un problème d'inférence bayésienne en très haute dimension, qui sera traité à l'aide d'échantillonneurs récents basés sur le gradient et de bibliothèques GPU avec différentiation automatique. Cette méthode de pointe sera validée en parallèle avec l'approche standard, ouvrant la voie à une exploitation maximale des données DESI. Le Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) est un spectrographe multi-objets installé sur le télescope Mayall à Kitt Peak (Arizona). Il mesure simultanément les spectres de 5000 objets et, lors de son relevé nominal de 5 ans (terminé au début de la thèse), il aura collecté les décalages spectraux de 40 millions de galaxies et quasars jusqu'à $z \sim 4.2$, soit dix fois plus que les relevés précédents (BOSS, eBOSS), sur un tiers du ciel.

L'étude des propriétés statistiques du champ de densité des galaxies permet de poser des contraintes fortes sur les modèles cosmologiques. Les analyses de clustering sondent la croissance des grandes structures sous l'effet de la gravité, sur une large gamme d'échelles et de décalages spectraux. Elles mesurent aussi l'histoire de l'expansion de l'Univers et son contenu énergétique, y compris la dynamique de l'énergie noire. Les résultats obtenus à partir des premières années de DESI, combinés aux données du CMB et des supernovae, ont révélé une tension avec le modèle actuel à constante cosmologique, suggérant une nature dynamique de l'énergie noire - un résultat qui a suscité un vif intérêt dans la communauté et qui motive des analyses plus poussées.

Le lentillage gravitationnel constitue une autre sonde majeure : il résulte de la déflexion de la lumière des galaxies ou du CMB par les champs gravitationnels des structures massives situées entre la source et l'observateur. Le lentillage sonde directement la distribution totale de matière dans la même gamme en décalage spectral que les galaxies de DESI. La collaboration prévoit ainsi pour la fin du relevé une 'méga-analyse' jointe du clustering de galaxies et du lentillage de galaxies (Euclid, UNIONS, DES, HSC, KIDS) et du CMB (Planck, ACT, SPT) afin d'obtenir les meilleures contraintes sur la dynamique de l'énergie noire et la gravité à grande échelle.

Contrairement au champ de densité de galaxies, biaisé par rapport au champ total de matière, le lentillage offre un accès direct à ce dernier. Leur combinaison permet de mieux comprendre la relation entre galaxies et matière, de briser des dégénérescences avec les paramètres cosmologiques et de contraindre les systématiques du lentillage, telles que les alignements intrinsèques des galaxies. Les traceurs de DESI contribuent en outre à calibrer les noyaux de lentillage des galaxies et du CMB, cruciaux pour l'interprétation cosmologique. Le projet DESI a lancé une 'méga-analyse' combinant la distribution 3D de galaxies, lentillage de galaxies (Euclid, UNIONS, DES, HSC, KIDS) et du CMB (Planck, ACT, SPT), visant à produire les contraintes les plus précises jamais obtenues sur l'énergie noire et la gravité. L'étudiant aura un rôle central dans le développement de cette 'méga-analyse', et s'appuiera notamment sur les codes de collaboration développés par le groupe d'accueil.

L'analyse standard repose sur la variance du champ de densité ou de lentillage en fonction de l'échelle (spectre de puissance ou fonction de corrélation). La formation des structures rend cependant le champ non-gaussien, de sorte que la compression en spectre de puissance est sous-optimale.

En parallèle, l'étudiant développera donc une approche théoriquement sans perte, dite analyse au niveau du champ. Un champ initial de matière noire sera généré, évolué selon les équations de la gravité, peuplé de galaxies avec des effets de lentillage, puis comparé aux observations après application de la géométrie du relevé et des effets instrumentaux. Il s'agit ensuite d'échantillonner les conditions initiales, les paramètres cosmologiques et de nuisance de cette simulation pour ajuster les données. Ce problème d'inférence en très grande dimension ($>10^6$) nécessite des échantillonneurs modernes basés sur le gradient et des bibliothèques de calcul sur GPU (e.g. JAX) permettant la différentiation automatique. Une telle approche est en cours de développement pour DESI, en combinaison avec le lentillage du CMB, et sera étendue par l'étudiant au lentillage des galaxies, ouvrant la voie à une analyse conjointe des trois sondes.

L'analyse au niveau du champ permettra aussi de générer des simulations rapides de toutes les observables, nécessaires pour estimer les fonctions de vraisemblance de l'analyse standard et valider la chaîne d'analyse. En retour, l'analyse standard apportera une validation de l'analyse au niveau du champ. L'aboutissement d'une telle analyse jointe au niveau du champ constituerait une première mondiale.

- Niveau M2 en cosmologie
- Niveau M2 en physique et astrophysique
- Programmation en Python