Le fond diffus cosmologique (CMB), relique du Big-Bang chaud, porte les traces à la fois de la formation des structures des époques récentes et des premières phases énergétiques de l'Univers.Le satellite Planck, en service de 2009 à 2013, a fourni des mesures de haute qualité des anisotropies du CMB. Celles-ci sont utilisés dans cette thèse pour déterminer les paramètres du modèle cosmologique standard et autour du secteur des neutrinos.Ce travail décrit la construction d'un fonction de vraisemblance pour les hauts-l de Planck. Cela implique une stratégie de masquage pour l'émission thermique de la Galaxie ainsi que pour les sources ponctuelles. Les avant-plans résiduels sont traités directement au niveau du spectre de puissance en utilisant des templates physiques bases sur des études de Planck.Les méthodes statistiques nécessaires pour extraire les paramètres cosmologiques dans la comparaison entre les modèles et les données sont décrites, à la fois la méthode bayésienne de Monte-Carlo par chaînes de Markov et la technique fréquentiste du profil de la fonction de vraisemblance.Les résultats sur les paramètres cosmologiques sont présentés en utilisant les données de Planck seul et en combinaison avec les données à petites échelles des expériences de CMB basées au sol (ACT et SPT), avec les contraintes provenant des mesures des oscillations acoustiques des baryons (BAO) et des supernovae. Les contraintes sur l'échelle absolue de la masse des neutrinos et sur le nombre effectif de neutrinos sont également discutées. / The cosmic microwave background (CMB), relic of the hot Big-Bang, carries the traces of both the rich structure formation of the late time epochs and the energetic early phases of the universe.The Planck satellite provided, from 2009 to 2013, high-quality measurements of the anisotropies of the CMB. These are used in this thesis to determine the parameters of the standard cosmological model and of the extension concerning the neutrino sector. The construction of an high-l Planck likelihood is detailed. This involves a masking strategy that deals in particular with the contamination from thermal emission of the Galaxy. The residual foregrounds are treated directly at the power spectrum level relying on physically motivated templates based on Planck studies.The statistical methods needed to extract the cosmological parameters in the comparison between models and data are described, both the Bayesian Monte Carlo Markov Chain techniques and the frequentist profile likelihood. Results on cosmological parameters are presented using Planck data alone and in combination with the small scale data from the ground based CMB experiment ACT and SPT, the Baryon Acoustic Oscillation and the Supernovae. Constraints on the absolute scale of neutrino masses and of the number of effective neutrino are also discussed.

El estudio de las anisotropías de la Radiación Cósmica del Fondo de Microondas es una de las piedras de toque de la Cosmología actual. Una fase importante de dicho estudio consiste en el análisis previo de los datos mediante técnicas deprocesado estadístico que permiten identificar, separar y estudiar de forma independiente las diferentes componentes físicas que contribuyen a la emisión del cielo. En esta Tesis se propone una nueva técnica de filtrado, los Filtros Adaptados a la Escala, que permite detectar la emisión de fuentes compactas(galaxias y cúmulos de galaxias) de forma robusta atendiendo alas particularidades de su estructura espacial a pequeña escala.Los Filtros Adaptados a la Escala se introducen de forma teórica y posteriormente son aplicados a simulaciones realistas que reproducen las condiciones de la futura misión de la AgenciaEspacial Europea "Planck", tanto en el régimen unidimensional como en imágenes bidimensionales en una o varias frecuencias (según se trate de detección de galaxias o de cúmulos de galaxias). Se concluye que los Filtros Adaptados a la Escalaconstituyen una herramienta potente y robusta para la detección de fuentes compactas en imágenes astronómicas. / The study of the anisotropies of the Cosmic Microwave Background (CMB) is one of the milestones of modern Cosmology. Before the analysis of the CMB itself, it is importantto apply statistical tools to the data in order to identify and separate the different physical components that contribute to the sky emission at microwave wavelengths. In this Thesis a newlinear filter is proposed, the so-called Scale Adaptive Filter (SAF), that takes into account the characteristic spatial signature of compact sources (namely galaxies and galaxy clusters) inorder to optimise the detection of such sources in CMB data.The SAF is firstly theoretically introduced and then it is applied to realistic simulated CMB data as they will be observed by the upcoming ESA's Planck Mission. The considered cases includeboth unidimensional and bidimensional data sets at one single frequency (for the case of the detection of radio and infrared galaxies) or considering several frequency channels (for thecase of the detection of galaxy clusters via the Sunyaev-Zel'dovich effect). The SAF is found to be a robust and powerful tool for the detection of compact sources in astronomical images.

We have released maps and data for five years of observation of the cosmic microwave background with the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) and I will review the main results in this talk. A simple 6 parameter cosmological model continues to be an excellent fit to the CMB data and to our data in conjunction with other astrophysical measurements. In particular a running spectral index is not supported by the data, and constraints that the Universe is spatially flat have increased in precision. Increased sensitivity and improvements in our understanding of the instrumental beam shape have allowed us to measure for the first time a cosmic neutrino background. Neutrinos de-coupled from other matter earlier than photons did. While they are expected to have a 2 Kelvin thermal distribution today, they comprised 10% of the energy density of the Universe at the epoch of photon de-coupling. The data also allow tighter constraints on the shape of the inflationary potential via the amplitude of a gravitational wave background new constraints on features of cosmic axions. Recorded at TRIUMF on Thursday April 17, 2008.

Le satellite Planck a été conçu pour mesurer de manière ultime les anisotropies primairesen température du fond diffus cosmologique (CMB), et améliorer les contraintes existantes sursa polarisation. La première partie de cette thèse s’inscrit dans le cadre du traitement des donnéesde l’instrument à haute fréquence de ce satellite. Les propriété statistiques du bruit sonttestée. Des effets systématiques dans l’estimateur du bruit sont ainsi détectés, et certains ontpu être corrigés. La sélection des données à projeter sur les cartes est ensuite présentée, ainsique la validation de la qualité de ces données. Cette sélection est finalement comparée à unesélection pour laquelle les critères sont beaucoup plus sévères, afin de vérifier que l’impactdes données imparfaites résiduelles est négligeable. Nous montrons que les données validéespour une utilisation scientifique répondent bien aux exigences de gaussianité et de stationnarité: des effets instrumentaux ne devraient pas induire de fausses conclusions cosmologiques.La seconde partie porte sur l’interprétation des données ainsi obtenues. Le modèle de concordanceest présenté, ainsi que les résultats rendus publiques par la collaboration Planck en 2013.La troisième partie est dédiée à deux études phénoménologiques concernant l’ionisation del’Univers. Premièrement, l’influence de l’annihilation de matière noire sur le spectre du CMBest étudiée : une méthode pour estimer l’impact de l’incertitude des canaux par lesquels sefont ces dépôts d’énergie est développée. Il ressort que les hypothèses sur la façon exacte dontl’énergie s’injecte dans le plasma ne sont pas cruciales pour retrouver les paramètres associée àl’annihilation. Deuxièmement, l’époque de la Réionisation et son rôle dans le spectre du CMBest présentée, avec l’analyse d’une paramétrisation de la fraction d’ionisation. Nous montronsla fiabilité des différents algorithmes dans le cas où la fraction d’ionisation est constante parmorceaux, c’est-à-dire même en présence de fortes discontinuités. / The Planck satellite was designed to perform the ultimate measurement of the primary fluctuationsof the cosmic microwave background (CMB), and to improve on the existing polarizationconstraints. In this framework, the first part of this thesis focusses on the data processingof Planck’s high frequency instrument. In particular, the statistical properties of the noise havebeen tested. This has allowed us to identify systematic effects in the noise estimator, amongwhich some have been corrected. The selection of the data to be projected on the maps, alongwith its quality validation, are then presented. Comparing this selection to a case where the criteriaare much more severe, we conclude that any residual imperfections in the selected dataare negligible.We also show that the data validated for scientific use meet the requirements ofgaussianity and stationarity : instrumental effects will not influence cosmological conclusions.The second part of this document deals with the scientific interpretation of these data. Theconcordance model is presented along with the main 2013 results released by the Planck collaboration.Finally, the third part is dedicated to two phenomenological studies of the ionizationof the Universe. First, the influence of dark matter annihilation on the CMB spectrum is investigated: we develop a method to measure the impact of uncertainties in the thermodynamicalprocesses at play and conclude that the parameters associated to dark matter annihilation arenot strongly dependent on the underlying hypotheses used to model the energy deposition inthe plasma. Second, the epoch of reionization and its role on the CMB spectrum is presented,along with an analysis of the parametrization of the ionization fraction.We show the reliabilityof different algorithms in the case where the ionization fraction is piecewise-constant, i.e. evenin the presence of strong discontinuities.

Le sujet principal de cette thèse est la conception et le développement d'un nouveau type de détecteur cryogénique, appelé Lumped Element Kinetic Inductance Detector, pour l'application dans l'astronomie millimétrique et la détection de photons de haute énergie. Concernant l'astrophysique, l'objectif était d'élaborer des grandes matrices de détecteurs qui montrent une sensibilité comparable aux bolomètres. J'ai travaillé sur le développement et les tests de pixels uniques, la réalisation de matrices et l'intégration dans la caméra NIKA (Néel IRAM KIDs Array), une expérience pour le télescope IRAM en Espagne. Cette activité a été couronnée par deux campagnes de démonstration au télescope avec d'excellents résultats: la caméra travaille dans deux bandes de fréquences (1,25 mm et 2 mm), chacune avec plus de 100 pixels, et présente une sensibilité d'environ 200 aW/sqrt(Hz). Un deuxième objectif de la thèse était de réaliser un concept des LEKIDs pour la détection de photons de haute énergie. Nous avons développé des nouveaux dispositifs pour étudier la détection de rayons X médiée par les phonons produits dans le substrat. Ces tests montrent un seuil de détection d'environ 60 eV ce qui est encourageant pour le future. / The main subject of this PhD thesis is the concept and development of a novel kind of cryogenics detectors, called Lumped Element Kinetic Inductance Detector for the application in millimeter astronomy and in the detection of high energy photons. Regarding astrophysics, the goal was to obtain large arrays of detectors, demonstrating a sensitivity comparable with bolometers. I worked on the development and tests of single pixel, realization of the array and integration into NIKA (Neel IRAM KIDs Array), an experiment installed at the IRAM telescope in Spain. This activity culminated with two demonstrative runs at the telescope with excellent results: the camera, working at two frequencies (1.25 mm and 2 mm) with more than 200 pixels, obtained a sensitivity of about 200 aW/sqrt(Hz). The goal of the second application was to obtain a good concept for high energy photons detection with LEKIDs. We developed new devices to study the detection of X-ray mediated via phonons produced in the substrate. Those tests demonstrated a threshold level of about 60 eV, encouraging for the future.

La mesure de la distribution de matière dans l'Univers offre une sonde importante pour la cosmologie. Elle peut être tracée à différentes étapes de la formation des structures en utilisant l'analyse des anisotropies primaires et secondaires du fond diffus cosmologique (CMB). Cette thèse se focalise sur l'analyse des données du satellite Planck et celles de la caméra NIKA installée au sol au télescope de 30 mètres de l'IRAM.La première partie introduit le contexte, en se concentrant sur: 1) l'inflation, qui procure une origine naturelle aux fluctuations de matière observées dans l'Univers; 2) la réionisation, qui correspond au moment où les premières étoiles se forment; 3) les amas de galaxies, qui sont les briques de l'Univers plus récent.La seconde partie se concentre sur la réduction des données de NIKA. Le développement de la chaîne d'analyse, qui permet de passer des données brutes aux cartes astrophysiques, est présenté. Elle est dédiée aux détecteurs à inductance cinétique, nouvellement développés pour la caméra NIKA. Les outils et les simulations utilisés pour caractériser les cartes sont aussi présentés.La troisième partie est dédiée à l'observation et l'analyse des amas de galaxies par effet Sunyaev-Zel'dovich (SZ), i.e. l'interaction Compton inverse entre les photons du CMB et les électrons énergétiques dans les amas. Une fois obtenues, les cartes SZ sont combinées avec des données X afin de mesurer les propriétés thermodynamiques et de matière des amas observés. Les résultats principaux sont: la première observation de l'effet SZ avec des détecteurs à inductance cinétique, la mesure du profil de pression dans un amas à haut redshift (z=0.89), l'étude de la contamination par les sources ponctuelles dans un amas résolu, et la cartographie SZ dans un amas en collision triple.La dernière partie présente l'analyse des données de Planck en polarisation. Les effets systématiques aux grandes échelles angulaires et les outils développés pour les identifier et les corriger y sont discutés. Les données en polarisation aux grandes échelles permettent à la fois de chercher les empreintes des fluctuations quantiques générées pendant l'inflation et de mesurer la réionisation. / The measurement of the matter distribution in the Universe provides valuable tests for cosmology. It can be traced at various steps of the formation of structures using the analysis of the primary and secondary anisotropies in the Cosmic Microwave Background (CMB). This thesis focuses on the data analysis of the observations of the Planck satellite and that of the ground-based camera NIKA installed at the IRAM-30m telescope.The first part introduces the context, focussing on: 1) the inflation, which provides a natural origin for the matter fluctuations seen in the Universe; 2) the reionization, which corresponds to the moment when the first stars form; 3) clusters of galaxy, that are the building blocks of the more recent Universe.The second part focuses on the data reduction of the NIKA data. The development of the data reduction pipeline, allowing to go from raw data to maps, is presented. It is dedicated for the newly developed kinetic inductance detectors used by NIKA. Tools and simulations are also constructed to characterize the maps.The third part is dedicated to the observation and the analysis of galaxy clusters through the Sunyaev-Zel'dovich (SZ) effect, i.e. the inverse Compton interaction of CMB photons and free electrons in clusters. Once recovered, the SZ maps are combined to X-ray data to measure the matter content and thermodynamic properties of the observed clusters. The main results are: the first observation of the SZ effect with kinetic inductance detectors, the measurement of the pressure profile of a high redshift cluster ($z=0.89$), the study of point source contamination in a resolved cluster, and the SZ mapping in a triple merger.The last part is dedicated to the analysis of Planck polarization data. In particular, we discuss large angular scale systematics and the tools developed to identify and correct for them. The large scales CMB polarization data allows both to search for the imprint of the quantum fluctuations generated during inflation, and to measure the reionization.

>Magister Scientiae - MSc / Measuring the evolution of the abundance of galaxy clusters puts constraints on cosmological parameters like the cosmological density parameter m, σ8 and the dark energy equation of state parameter, w. Current observations that promise to give large cluster counts and their properties are those that rely on the Sunyaev-Zeldovich effect (SZE) from clusters. We study the contamination of the SZ signals from galaxy clusters by cluster infrared (IR) galaxies and particularly faint IR galaxies. We use the Millennium simulation database to extract galaxy clusters and deduce contaminant IR fluxes using the star formation rate - IR luminosity relations. We use the IR spectral energy distribution(SED) to obtain the monochromatic fluxes at 145 GHz, 217 GHz and 265 GHz, which are the observation frequencies of the Atacama Cosmology Telescope (ACT). Taking ACT as a case study, we selected all clusters with Mvir ≥ 2 × 1014 M⊙, and consider all galaxies in a cluster with star formation rate sfr ≥ 0.2 M⊙yr−1 as IR galaxies. From the fluxes of these selected sources, we compute their contribution to the SZE temperature fluctuations.We find that the galaxies in clusters have a non-neglible contribution to the SZ signals.In massive and rich clusters the contribution can be as high as 100 μK at z = 0.36,which is substantial when compared to the thermal SZE of & 270μK for such clusters.This effect can be reduced significantly if proper modelling of IR sources is done to pick out the point sources within clusters. We also find that irrespective of the mass range,the average contaminant temperature fluctuation T can be modelled as a power-law: T = Czm, where z is the redshift, m = 1.8 ± 0.07 and C takes on a range of values(0.008 to 0.9) depending on the cluster mass and the observation frequency respectively.We also study some properties of simulated galaxy clusters like substructures in clusters,2D projected distributions and number density profiles, which are all discussed in the results.

Much of the recent progress in cosmology has come from studying the power spectrum of the cosmic microwave background (CMB). The latest results from the Planck satellite confirmed that the inflationary paradigm with the $\Lambda$CDM six-parameter model provides a very good description of the observed structures in the Universe. Even so, additional parameters, such as cosmic defects, are still allowed by current observational data. Additionally, many of the inflationary models predict a significant departure from Gaussianity in the distribution of primordial perturbations. Higher order statistics, such as the bispectrum, are required to test and constrain such models. The late-time distribution of matter in the Universe - large-scale structure (LSS) - contains much more information than the CMB that has not yet been used. In this thesis, we look at both problems: the effects of cosmic defects, in particular cosmic strings and domain walls on the CMB power spectrum through numerical simulations, and the dark matter bispectrum of large-scale structure. Topological defects are predicted by most inflationary theories involving symmetry breaking in the early Universe. In this thesis we study the effects of cosmic strings and domain walls on the CMB by determining their power spectrum. We use Nambu-Goto and field theory simulations for cosmic strings and domain walls respectively, and we determine the power spectra they produce with a modified Einstein-Boltzmann solver sourced by unequal time correlators from components of the energy-momentum tensor of the defects. We use these spectra together with CMB likelihoods to obtain constraints on the energy scales of formation of the cosmic defects, finding $G\mu/c^{2} < 1.29 \times 10^{−7}$ and $\eta < 0.93$ MeV (at 95% confidence level) for cosmic strings and domain walls respectively, when using the Planck satellite likelihoods. For the matter bispectrum of LSS, we compare different perturbative and phenomenological models with measurements from $N$-body simulations by using shape and amplitude correlators and we determine on which scales and for which redshifts they are accurate. We propose a phenomenological ‘three-shape’ model, based on the fundamental shapes we have observed by studying the halo model that are also present in the simulations. When calibrated on the simulations, this model accurately describes the bispectrum on all scales and redshifts considered, providing a prototype bispectrum HALOFIT-like methodology that could be used to describe and test parameter dependencies.

In this thesis I test the modified Newtonian dynamics as an alternative to the cold dark matter hypothesis. In the Milky Way, I show that the dynamics of the dwarf galaxies are well described by the paradigm and I confirm its distant low surface brightness globular clusters provide a strong test, for which I make predictions. Through analysis of a sample of 26 X-ray bright galaxy groups and clusters I demonstrate that the three active neutrinos and their anti-particles are insufficient to reconcile modified Newtonian dynamics with the observed temperatures of the X-ray emitting gas, nor with weak-lensing measurements, in particular for the bullet cluster. To this end, I propose an 11eV sterile neutrino to serendipitously resolve the residual mass problem in X-ray bright groups and clusters, as well as matching the angular power spectrum of the Cosmic Microwave Background. With this in mind, I show that the large collision velocity of the bullet cluster and the high number of colliding clusters is more naturally reproduced in MOND than in standard dynamics.

Cette thèse présente une étude de certains effets systématiques instrumentaux et astrophysiques, pouvant affecter les performances des nouvelles et futures générations d'observations de la polarisation du fond diffus cosmologique (CMB). Nous étudions l'impact de ces effets sur les objectifs scientifiques de ces observations, ainsi que les techniques pour leur élimination. Ce travail se concentre sur les problèmes généraux que rencontrent les expériences de manière générale, mais se penche également sur les questions plus spécifiques soulevées dans le cadre de l'expérience d'observation des modes-B du CMB, POLARBEAR. L'objectif principal de l'effort actuel pour l'étude de la polarisation du CMB est une détection des anisotropies primordiales appelées modes-B --- une signature des théories inflationnaires non détectée à ce jour. Cela aurait un grand impact sur notre compréhension de l'univers, mais aussi des lois fondamentales de la physique. Comprendre, modéliser, et, finalement, éliminer ces effets systématiques sont des éléments indispensables pour tout pipeline d'analyse moderne du CMB. Sa réussite, de concert avec une haute sensibilité instrumentale, décidera du succès final des efforts entrepris. Dans cette thèse je décris tout d'abord l'optique des expériences typiques d'observation du CMB et propose un paramétrage des polarisations instrumentale et croisée. Deuxièmement, je présente un modèle décrivant la contamination atmosphérique et utilise celui-ci afin de donner quelques aperçus sur le rôle et l'impact de l'atmosphère sur les performances des expériences au sol. J'indique également comment ces résultats peuvent être utilisés pour améliorer le contrôle des effets atmosphériques dans l'analyse des données CMB. Ensuite, je discute d'une autre source d'effets systématiques venant du ciel --- les avants-plans astrophysiques polarisés. Dans ce contexte, je présente d'une part une nouvelle approche pour prédire les performances des futures expériences prenant en compte la présence des avant-plans, et d'autre part je propose un cadre pour l'optimisation des expériences afin qu'elles puissent atteindre de meilleures performances. Cette partie de la thèse est issue d'un travail commun avec F. Stivoli et R. Stompor. Je présente enfin une expèrience phare pour l'observation de la polarisation du CMB, POLARBEAR, dans laquelle j'ai été impliqué au cours de mes études doctorales. Je décris le statut actuel et les performances de l'instrument ainsi que quelques étapes de son pipeline d'analyse des données. En particulier, je montre des méthodes d'estimation de certains des paramètres introduits pour la modélisation d'effets systématiques, à partir de données simulées. Ce travail a été réalisé en collaboration avec les membres de l'équipe POLARBEAR.