Thesis (M.S.)--Ohio University, November, 1991. / Title from PDF t.p.

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Cette thèse de cosmologie est consacrée à l'étude de l'empreinte de l'énergie noire sur la formation des structures de l'Univers. Je défini et introduit les régions cosmiques compensées comme l'environnement à grande échelle autour des extrema locaux dans le champ de densité. Dans le cas d'un minimum central, cette région peut être identifiée aux vides cosmiques usuels. A l'aide de simulations numériques, je montre que ces régions présentent des propriétés de formes particulières et qu'elles dépendent de la cosmologie. Je montre que la forme moyenne de ces profils de densité ainsi que leur propriétés statistiques peuvent être calculée analytiquement dans l'Univers primordial. En utilisant une dynamique appropriée, je montre qu'il est possible de suivre précisément l'évolution non linéaire de ces structures. Il devient alors possible de reconstruire les profils de matières observés aujourd'hui à partir les profils théoriques primordiaux évolués selon une dynamique appropriée. J’exhibe une propriété fondamentale de ces régions qui maintient constant une taille particulière, le rayon de compensation. Autour de ce point, l'évolution non linéaire du champ de matière peut être suivie analytiquement. En étudiant l'effondrement gravitationnel dans des théories étendues de gravité, je montre qu'il est possible de contraindre efficacement la nature de la gravité et de la cosmologie à partir de l'étude de certaines propriétés spécifiques à ces régions. Ce travail permet à la fois de donner une origine aux profils de matière sur les très grandes échelles cosmiques mais aussi de définir de nouvelles sondes cosmologiques pour tester la nature de notre Univers. / This thesis is devoted to the study of the imprints of dark energy on the formation of the large scale structures in the Universe. I define the spherically compensated cosmic regions as the large-scale environment around local extrema in the density field. For central minimum, this region can be identified with standard cosmic voids. Using numerical simulations, I show that these regions, once properly identified, can be used efficiently to distinguish competitive cosmological models. I show that the average shape of these density profiles and their statistical properties can be analytically computed in the primordial Universe. Using an appropriate dynamical formalism, I show that it is possible to follow the nonlinear evolution of these structures until today. This allows to reconstruct the shape of such large scale regions from first principles. I exhibit a fundamental property of these regions which maintains constant a particular size : the compensation radius. Around this radius, the nonlinear evolution of the matter field can be analytically derived. By studying the gravitational collapse in gravity models beyond General Relativity, I show that it is possible to constrain efficiently both cosmology and the nature of gravity. Beside giving a physically motivated model for both shape and statistical properties of such large scale matter profile, this work also define new cosmological probes that could be used to test the nature of our Universe.

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Le modèle de concordance de la cosmologie moderne repose entre autre sur l'existence de matière dite « noire », matière qui n'intéragirait que gravitationellement et qui ne peut donc pas être observée directement. Les vitesses particulières des galaxies, puisqu'elles tracent le champ de gravité, sont des sondes non-biaisées de la matière dans l'Univers. Ainsi, l'étude de ces vitesses particulières permet non seulement de cartographier l'Univers proche (matière noire comprise), mais aussi de tester le modèle ΛCDM via la vitesse d'expansion de l'Univers et le taux de formation des structures. Observationnellement, la mesure de la vitesse particulière d'une galaxie se fait à partir de la mesure de sa distance, mesure très imprécise pour les données extragalactiques. Mal modélisée, cette incertitude conduit à des analyses biaisées des vitesses particulières, et ainsi détériore la qualité de cette sonde cosmologique. Dans ce contexte, cette thèse s'intéresse aux erreurs systématiques statistiques des analyses de vitesses particulières. D'abord en étudiant puis modélisant ces erreurs systématiques. Ensuite en proposant de nouveaux modèles pour les prendre en compte. En particulier, y est développé un modèle permettant, à partir des mesures de la vitesse de rotation des galaxies, de reconstruire le champ de densité de l'Univers Local. Ce modèle s'appuie sur l'analyse des corrélations de vitesse données par le modèle de concordance, et la modélisation de la relation de Tully-Fisher, qui lie la vitesse de rotation des galaxies à leur luminosté. Le modèle développé est appliqué au catalogue de distances extragalactiques CosmicFlows-3, permettant ainsi une nouvelle cartographie de l'Univers proche et de sa cinématique / The cosmological concordance model relies on the existence of a ≪ dark ≫ matter which hypothetically only interacts through gravity. Hence, the dark matter could not be observed directly with standard techniques. Since they directly probe gravity, peculiar velocities of galaxies are an unbiased tool to probe the matter content of the Universe. They can trace the total matter field and constrain the Local Universe’s expansion rate and growth of structures. The peculiar velocity of a galaxy can only be measured from its distance, which determination is very inaccurate for distant objects. If not correctly modeled, these uncertainties can lead to biaised analyses and poor constraints on the ΛCDM model. Within this context, this PhD studies the systematic and statistical errors of peculiar velocity analyses. First by investigating and modeling these errors. Then by building Bayesian models to include them. In particular, a model of the Local Universe’s velocity field from the observations of the rotational velocity of galaxies is presented. This model relies on the ΛCDM’s peculiar velocity correlations and on a Tully-Fisher relation model. The model has then been applied to the CosmicFlows-3 catalog of distances and provides a new kinematic map of the Local Universe

The dark energy is one of the great mysteries of modern cosmology, responsible for the current acceleration of the expansion of our Universe. Its study is a major focus of my thesis : the way I choose to do so is based on the large-scale structure of the Universe, through a probe called the integrated Sachs-Wolfe effect (iSW). This effect is theoretically detectable in the cosmic microwave background (CMB) : before reaching us this light travelled through large structures underlain by gravitational potentials. The acceleration of the expansion stretches and flattens these potentials during the crossing of photons, changing their energy, in a way that depend on the properties of the dark energy. The iSW effect only has a weak effect on the CMB requiring the use of external data to be detectable. A conventional approach is to correlate the CMB with a tracer of the distribution of matter, and therefore the underlying potentials. This has been attempted numerous times with galaxies surveys but the measured correlation has yet to give a definitive result on the detection of the iSW effect. This is mainly due to the shortcomings of current surveys that are not deep enough and/or have a too low sky coverage. A part of my thesis is devoted to the correlation of FDC with another diffuse background, namely the cosmological infrared background (CIB), which is composed of the integrated emission of the non-resolved distant galaxies. I was able to show that it is an excellent tracer, free from the shortcomings of current surveys. The levels of significance for the expected correlation CIB-CMB exceed those of current surveys, and compete with those predicted for the future generation of very large surveys. In the following, my thesis was focused on the individual imprint in the CMB of the largest structures by iSW effect. My work on the subject first involved revisiting a past study of stacking CMB patches at structures location, using my own protocol, completed and associated with a variety of statistical tests to check the significance of these results. This point proved to be particularly difficult to assess and subject to possible selection bias. I extended the use of this detection method to other available catalogues of structures, more consequent and supposedly more sophisticated in their detection algorithms. The results from one of them suggests the presence of a signal at scales and amplitude consistent with the theory, but with moderate significance. The stacking results raise questions regarding the expected signal : this led me to work on a theoretical prediction of the iSW effect produced by structures, through simulations based on the Lemaître-Tolman-Bondi metric. This allowed me to predict the exact theoretical iSW effect of existing structures. The central amplitude of the measured signals is consistent with the theory, but shows features non-reproducible by my predictions. An extension to the additional catalogues will verify the significance of their signals and their compatibility with the theory. Another part of my thesis focuses on a distant time in the history of the Universe, called reionisation : the transition from a neutral universe to a fully ionised one under the action of the first stars and other ionising sources. This period has a significant influence on the CMB and its statistical properties, in particular the power spectrum of its polarisation fluctuations. In my case, I focused on the use of temperature measurements of the intergalactic medium during the reionisation in order to investigate the possible contribution of the disintegration and annihilation of the hypothetical dark matter. Starting from a theoretical work based on several models of dark matter, I computed and compared predictions to actual measures of the IGM temperature, which allowed me to extract new and interesting constraints on the critical parameters of the dark matter and crucial features of the reionisation itself

L'énergie sombre est l'un des grands mystères de la cosmologie moderne, responsable de l'actuelle accélération de l'expansion de notre Univers. Son étude est un des axes principaux de ma thèse : une des voies que j'exploite s'appuie sur la structuration de l'Univers à grande échelle à travers un effet observationnel appelé effet Sachs-Wolfe intégré (iSW). Cet effet est théoriquement détectable dans le fond diffus cosmologique (FDC) : avant de nous parvenir cette lumière traverse un grand nombre grandes structures sous-tendues par des potentiels gravitationnels. L'accélération de l'expansion étire et aplatit ces potentiels pendant le passage des photons du FDC, modifiant leur énergie d'une façon dépendante des caractéristiques de l'énergie sombre. L'effet iSW n'a qu'un effet ténu sur le FDC, obligeant l'utilisation de données externes pour le détecter. Une approche classique consiste à corréler le FDC avec un traceur de la distribution de la matière, et donc des potentiels sous-jacents. Maintes fois tentée avec des relevés de galaxies, cette corrélation n'a pas donné à l'heure actuelle de résultat définitif sur la détection de l'effet iSW, la faute à des relevés pas assez profonds et/ou avec une couverture trop faible. Un partie de ma thèse est dédiée à la corrélation du FDC avec un autre fond "diffus" : le fond diffus infrarouge (FDI), qui est constitué de l'émission intégrée des galaxies lointaines non-résolues. J'ai pu montrer qu'il représente un excellent traceur, exempt des défauts des relevés actuels. Les niveaux de signifiance attendus pour la corrélation CIB-CMB excèdent ceux des relevés actuels, et rivalisent avec ceux prédits pour la futur génération de très grands relevés. Dans la suite, ma thèse a porté sur l'empreinte individuelle sur le FDC des plus grandes structures par effet iSW. Mon travail sur le sujet a d'abord consisté à revisiter une étude précédente d'empilement de vignettes de FDC à la position de structures, avec mes propres protocole de mesure et tests statistiques pour vérifier la signifiance de ces résultats, délicate à évaluer et sujette à de possibles biais de sélection. J'ai poursuivi en appliquant cette même méthode de détection à d'autres catalogues de structures disponibles, beaucoup plus conséquents et supposément plus raffinés dans leur algorithme de détection. Les résultats pour un d'eux suggère la présence d'un signal à des échelles et amplitudes compatible avec la théorie, mais à des niveaux modérés de signifiance. Ces résultats empilements font s'interroger concernant le signal attendu : cela m'a amené à travailler sur une prédiction théorique de l'iSW engendré par des structures, par des simulations basées sur la métrique de Lemaître-Tolman-Bondi. Cela m'a permis de prédire l'effet iSW théorique exact de structures existantes : l'amplitude centrale des signaux mesurés est compatible avec la théorie, mais présente des caractéristiques non-reproductibles par ces mêmes prédictions. Une extension aux catalogues étendus permettra de vérifier la signifiance de leurs signaux et leur compatibilité avec la théorie. Un dernier pan de ma thèse porte sur une époque de l'histoire de l'Univers appelée réionisation : son passage d'un état neutre à ionisé par l'arrivée des premières étoiles et autres sources ionisantes. Cette période a une influence importante sur le FDC et ses propriétés statistiques, en particulier sur son spectre de puissance des fluctuations de polarisation. Dans mon cas, je me suis penché sur l'utilisation des mesures de températures du milieu intergalactique, afin d'étudier la contribution possible de la désintégration et annihilation de l'hypothétique matière sombre. A partir d'un travail théorique sur plusieurs modèles et leur comparaison aux observations de température, j'ai pu extraire des contraintes intéressantes et inédites sur les paramètres cruciaux de la matière sombre et des caractéristiques cruciales de la réionisation elle-même. / The dark energy is one of the great mysteries of modern cosmology, responsible for the current acceleration of the expansion of our Universe. Its study is a major focus of my thesis : the way I choose to do so is based on the large-scale structure of the Universe, through a probe called the integrated Sachs-Wolfe effect (iSW). This effect is theoretically detectable in the cosmic microwave background (CMB) : before reaching us this light travelled through large structures underlain by gravitational potentials. The acceleration of the expansion stretches and flattens these potentials during the crossing of photons, changing their energy, in a way that depend on the properties of the dark energy. The iSW effect only has a weak effect on the CMB requiring the use of external data to be detectable. A conventional approach is to correlate the CMB with a tracer of the distribution of matter, and therefore the underlying potentials. This has been attempted numerous times with galaxies surveys but the measured correlation has yet to give a definitive result on the detection of the iSW effect. This is mainly due to the shortcomings of current surveys that are not deep enough and/or have a too low sky coverage. A part of my thesis is devoted to the correlation of FDC with another diffuse background, namely the cosmological infrared background (CIB), which is composed of the integrated emission of the non-resolved distant galaxies. I was able to show that it is an excellent tracer, free from the shortcomings of current surveys. The levels of significance for the expected correlation CIB-CMB exceed those of current surveys, and compete with those predicted for the future generation of very large surveys. In the following, my thesis was focused on the individual imprint in the CMB of the largest structures by iSW effect. My work on the subject first involved revisiting a past study of stacking CMB patches at structures location, using my own protocol, completed and associated with a variety of statistical tests to check the significance of these results. This point proved to be particularly difficult to assess and subject to possible selection bias. I extended the use of this detection method to other available catalogues of structures, more consequent and supposedly more sophisticated in their detection algorithms. The results from one of them suggests the presence of a signal at scales and amplitude consistent with the theory, but with moderate significance. The stacking results raise questions regarding the expected signal : this led me to work on a theoretical prediction of the iSW effect produced by structures, through simulations based on the Lemaître-Tolman-Bondi metric. This allowed me to predict the exact theoretical iSW effect of existing structures. The central amplitude of the measured signals is consistent with the theory, but shows features non-reproducible by my predictions. An extension to the additional catalogues will verify the significance of their signals and their compatibility with the theory. Another part of my thesis focuses on a distant time in the history of the Universe, called reionisation : the transition from a neutral universe to a fully ionised one under the action of the first stars and other ionising sources. This period has a significant influence on the CMB and its statistical properties, in particular the power spectrum of its polarisation fluctuations. In my case, I focused on the use of temperature measurements of the intergalactic medium during the reionisation in order to investigate the possible contribution of the disintegration and annihilation of the hypothetical dark matter. Starting from a theoretical work based on several models of dark matter, I computed and compared predictions to actual measures of the IGM temperature, which allowed me to extract new and interesting constraints on the critical parameters of the dark matter and crucial features of the reionisation itself

La philosophie de cette thèse est de dire que nos plus grandes chances de trouver et de caractériser les ingrédients essentiels du modèle cosmologique passe par l'élargissement de l'éventail des méthodes que l'on peut utiliser dans le but de trouver une nouvelle physique. Bien qu'il soit d'une importance primordiale de continuer à affiner, à de-biaiser et à rendre plus puissantes, les stratégies qui ont contribué à établir le modèle de concordance, il est également crucial de remettre en question, avec de nouvelles méthodes, tous les secteurs de l'actuel paradigme cosmologique. Cette thèse, par conséquent, s'engage dans le défi de développer des sondes cosmologiques nouvelle et performantes qui visent à optimiser les résultats scientifiques des futures grand sondages de galaxies. L'objectif est double. Du côté théorique, je cherche à mettre au point de nouvelles stratégies de test qui sont peu (voire pas du tout) affectées par des incertitudes astrophysiques ou par des modèles phénoménologiques qui ne sont pas complet . Cela rendra les interprétations cosmologiques plus facile et plus sûr. Du côté des observations, l'objectif est d'évaluer les performances des stratégies proposées en utilisant les données actuelles, dans le but de démontrer leur potentiel pour les futures grandes missions cosmologiques tels que BigBoss et EUCLID. / The philosophy of this thesis is that our best chances of finding and characterizing the essential ingredients of a well grounded cosmological model is by enlarging the arsenal of methods with which we can hunt for new physics. While it is of paramount importance to continue to refine, de-bias and power, the very same testing strategies that contributed to establish the concordance model, it is also crucial to challenge, with new methods, all the sectors of the current cosmological paradigm. This thesis, therefore, engages in the challenge of developing new and performant cosmic probes that aim at optimizing the scientific output of future large redshift surveys. The goal is twofold. From the theoretical side, I aim at developing new testing strategies that are minimally (if not at all) affected by astrophysical uncertainties or by not fully motivated phenomenological models. This will make cosmological interpretations easier and safer. From the observational side, the goal is to gauge the performances of the proposed strategies using current, state of the art, redshift data, and to demonstrate their potential for the future large cosmological missions such as BigBOSS and EUCLID.

Les mouvements des galaxies dans l'Univers sont causés par le tir à la corde qui a lieu entre l'expansion de l'univers et la gravitation. Cette rivalité a un impact sur la formation et la croissance des grandes structures de l'univers. Par conséquent, l'univers est plus ou moins compact selon le gagnant de ce duel. Dans ce contexte, cette thèse est divisée en trois parties, allant des observations à 21 cm à la mesure du taux de croissance actuel des grandes structures de l'univers et de la compacité de l'univers local.La collaboration Cosmicflows prépare des catalogues de distances de galaxies. Jusqu'à présent, trois catalogues ont été publiés, le dernier étant Cosmicflows-3. Cette thèse présente et analyse les données obtenues à partir d'observations à 21 cm. Ces nouvelles données seront utilisées pour former le prochain catalogue de distances Cosmicflows-4 à l'aide de la relation de Tully-Fisher, afin de corriger le manque de données dans l'hémisphère céleste Nord dans le catalogue actuel.À partir de la distance d'une galaxie, il est possible d'en déduire la partie radial de sa vitesse particulière, correspondant à la composante de sa vitesse totale causée par la gravitation. Les vitesses particulières des galaxies sont des sondes non-baisées de la matière et permettent d'extraire des informations sur les grandes structures de l'univers. Deux méthodologies utilisant les vitesses particulières ont été développées durant cette thèse pour caractériser les grandes structures de l'univers local.D'une part, les catalogues de vitesses particulières peuvent être utilisés pour reconstruire des champs de vitesse tridimensionnels. De tels champs de vitesse permettent de cartographier la structure de l'univers local et sont exploités dans cette thèse, à l'aide des lignes de flux, pour identifier des bassins et vallées gravitationnels dans l'univers local.D'autre part, une méthode basée sur l'analyse des corrélations à deux points des vitesses particulières des galaxies a été développée afin d'exhiber le taux de croissance actuel des grandes structures de l'univers local à partir de données observationnelles. Cette méthodologie est appliquée au catalogue observationnel de vitesses particulières Cosmicflows-3 / Motions of galaxies in the universe are due to the rivalry between the expansion of the universe and gravitation. This tug-of-war impacts the formation and the growth of large scale structures of the universe. Thus, depending on the identity of the winner of this duel, the universe is more or less compact. Within this context, this PhD thesis is divided into three parts, spanning from HI observations to the estimate of the growth of rate of large scale structures of the universe and the compactness of the local universe.The Cosmicflows collaboration assembles catalogues of galaxy distances. Up to now, three catalogues have been published, the last one being Cosmicflows-3. This thesis presents and analyses observational data obtained from HI observations. These new data will be used to construct the new compilation of distances Cosmicflows-4 by the use of the Tully-Fisher relation, in order to correct the lack of data in the Northern celestial hemisphere in the current catalog.From the distance of a galaxy, one can derive the radial part of its peculiar velocity corresponding to the component of its total velocity caused by gravitation. Peculiar velocities allow to probe the matter content of the universe and to extract information on large scale structures of the universe. Two methodologies using peculiar velocities have been developed during this thesis to characterize large scale structures of the local universe.On the one hand, peculiar velocity catalogues can be used to reconstruct tri-dimensional velocity fields. These velocity field allow one to map the structure of the local universe and are used in this thesis to identify gravitational basins and valleys within the local universe by computing streamlines.On the other hand, a method based on the analysis of two-point galaxy peculiar velocity correlations has been developed in order to constrain the growth rate of large scale structures of the local universe from observational data. This method is applied to the Cosmicflows-3 catalogue of observed peculiar velocities

La dynamique de formation des structures de l'Univers est habituellement décrite dans le cadre du modèle standard de Cosmologie. Cependant, pour que les observations cosmologiques soient cohérentes avec le modèle standard, il est nécessaire de supposer l'existence d'une grande proportion d'éléments de nature inconnue dans le contenu de l'Univers. Pour tenter de résoudre cette énigme, nous ne considèrerons pas d'autres sources dans le contenu de l'Univers que celles ordinaires et resterons dans le cadre de la Relativité Générale. Nous développerons néanmoins une description plus réaliste de la formation de structures dans le cadre de la théorie d'Einstein. Ainsi, contrairement au modèle standard de Cosmologie, nous ne supposerons pas que l'Univers moyenné est une solution homogène et isotrope des équations d'Einstein. Lors de mon travail sous la direction de Thomas Buchert, j'ai participé au développement d'un formalisme perturbatif permettant une description plus réaliste de la dynamique de l'espace-temps. J'ai également contribué à l'obtention de solutions relativistes à la partie gravitoélectrique des équations d'Einstein en généralisant les solutions perturbatives newtoniennes. Ces travaux ont été réalisés dans le cadre d'une approche lagrangienne intrinsèque, évitant ainsi de définir les grandeurs physiques sur un fond plat. L'approche gravitoélectromagnétique que j'ai adoptée m'a permis une interprétation nouvelle et performante des solutions des équations d'Einstein. Enfin, j'ai étudié l'impact de la topologie sur la dynamique des ondes gravitationelles à l'aide d'une description globale de l'hypersurface spatiale, permise par des théorèmes mathématiques puissants / The dynamics of structure formation in the Universe is usually described by Newtonian numerical simulations and analytical models in the frame of the Standard Model of Cosmology. The structures are then defined on a homogeneous and isotropic background. Such a description has major drawbacks since, to be self-consistent, it entails a large amount of dark components in the content of the Universe. To address the problem of dark matter and dark energy, we will neither suppose that exotic sources contribute to the content of the Universe, nor that General Relativity is obsolete. We will develop a more realistic description of structure formation in the frame of General Relativity and thus no longer assume that the average model is a homogeneous-isotropic solution of the Einstein equations, as claimed by the Standard Model of Cosmology. During my work under the supervision of Thomas Buchert, I contributed to the development of the perturbative formalism that enables a more realistic description of spacetime dynamics. In the framework of the intrinsic Lagrangian approach, which avoids defining physical quantities on a flat background, I contributed to the building of relativistic solutions to the gravitoelectric part of the Einstein equations from the generalization of the Newtonian perturbative solutions. Moreover, the gravitoelectromagnetic approach I worked with has provided a new understanding of the dynamics of the analytical solutions to the field equations. Finally, treating globally the spatial manifold, I used powerful mathematical tools and theorems to describe the impact of topology on the dynamics of gravitational waves