Diss.--Giessen Universität, 1996. / Notes bibliogr. Bibliogr. p. 177-186. Index.

L'étude des anisotropies du fond de rayonnement cosmologique est actuellement un des outils les plus précis de la cosmologie. Elle permet à priori de déterminer un grand nombre de paramètres cosmologiques, comme les densités d'énergie totale (\omega_tot) ou de l'énergie sombre (\omega\delta) qui gouvernent la géometrie de l'univers, ou comme un des paramètres du molèle d'inflation, l'indice spectral scalaire n_s. Après avoir présenté le cadre du modèle standard cosmologique, nous décrivons la physique qui donne naissance aux anisotropies du fond de rayonnement cosmologique. Des oscillations acoustiques dans l'Univers primordial amplifient les inhomogénéités de densités prédites par les modèles d'inflation et génèrent une série de pics dans le spectre de puissance des anisotropies. La troisième partie du manuscrit concerne les différentes techniques d'observation des anisotropies, ainsi que les expériences récentes et à venir. Puis nous exposons notre méthode d'estimation des paramètres cosmologiques, qui se base sur un ajustement des paramètres par une recherche d'optimum, ici réalisée en utilisant le \chi^2 comme critère d'optimisation. Nous appliquons cette méthode à des jeux de données simulées, représentatifs des expériences WMAP et Planck, afin d'évaluer les performances et la robustesse de l'analyse. Enfin nous employons cette méthode pour analyser les données actuelles des expériences Archeops, CBI et WMAP.

Le thème principal de cette thèse est l'analyse de données du fond diffus cosmologique (CMB). En particulier, je présente une méthode, Bayesian Independent Analysis (BICA), qui effectue à la fois la séparation des composants et l'inférence du spectre de puissance du CMB. Je commence par présenter les principes de base du CMB et souligne la nécessité d'une modélisation robuste des erreurs au niveau de la carte. Puis je présente la principale source d'erreurs dans les produits du CMB, à savoir les avant-plans. La séparation des composants est une étape cruciale dans l'analyse de données de CMB. Je passe en revue plusieurs méthodes visant à nettoyer le CMB des avant-plans. Puis je présente BICA. La méthode est formulée dans le cadre bayésien aveugle. Il en résulte une inférence jointe de la carte de CMB et de son spectre de puissance. Ainsi, les erreurs sur la reconstruction comprennent les incertitudes dues à la présence d'avant-plans dans les données. En considérant des choix particuliers de prior et d'échantillonnage, je montre comment la formulation bayésienne de séparation des composantes fournit un cadre unificateur dont les méthodes précédentes sont des cas particuliers. Je présente les résultats de BICA lorsqu'elle est appliquée sur des données simulées et les données Planck. Cette méthode est capable de reconstruire la carte du CMB et son spectre sur une large fraction du ciel. Les principales contributions de cette thèse sont : 1) un spectre de puissance du CMB dont les erreurs prennent en compte la présence d'avant-plans mais sans modèle physique, 2) une carte CMB avec un modèle d'erreur incluant à la fois le bruit et avant-plans. / The main topic of this thesis is the analysis of Cosmic Microwave Background (CMB) data. In particular, I present a method, Bayesian Independent component analysis (BICA), that performs both CMB component separation and CMB power spectrum inference.I begin by presenting the basics of our understanding of the CMB emission and highlight the need for a robust error modelling at the map level. Then I present the main source of errors in the CMB products, namely the foregrounds.Component separation is a crucial and delicate step in CMB data analysis. I review several methods aiming at cleaning the CMB from foregroundsThen I present BICA. The method is formulated in a blind Bayesian framework. The posterior distribution provides an inference of the CMB map and power spectrum from the observation maps. Thus, the errors on the reconstruction include the uncertainties due the presence of foregrounds in the data. By considering particular choices of prior and sampling scheme, I show how the Bayesian formulation of component separation provide a unifying framework of which previous methods are special cases.I present the results of BICA when applied on both simulated data and 2013 Planck data. This method is able to reconstruct the CMB map and power spectrum on a large fraction of the sky. The main contributions of this thesis is to provide: 1) a CMB power spectrum on a large multipole range whose errors take the presence of foregrounds into account but without assuming physical models, 2) a CMB map inference together with an error model including both noise and foregrounds residuals.

Nous étudions les conséquences cosmologiques des anomalies de Weyl qui émergent de la renormalisation des opérateurs composés des champs, y compris la métrique. Ces anomalies sont codifiées dans les habillements gravitationnels des opérateurs dans une action effective quantique non-locale. Nous obtenons les équations d'évolution qui découlent de cette action et nous en cherchons des solutions cosmologiques. Par simplicité on se limite à la gravité d'Einstein-Hilbert avec une constante cosmologique. Nous initions par considérer la gravité en deux dimensions, où la théorie de Liouville nous permet de calculer l'habillement gravitationnel de la constant cosmologique. Avec une formulation invariante de Weyl, nous déterminons l'action effective et le tenseur de moment correspondant, qui deviennent non-locaux. Les anomalies de Weyl modifient le tenseur entier, pas seulement sa trace, et nous trouvons une énergie du vide qui décline avec le temps et un ralentissement de l'expansion de de Sitter à une de quasi-de Sitter. En quatre dimensions, motivés par nos résultats en deux dimensions, nous paramétrisons l'action effective avec des habillements gravitationnels générales. Dans le cas des dimensions anormales constantes, le tenseur de moment conduit encore à une énergie du vide qui décline et une expansion de quasi-de Sitter de roulement lent. Les dimensions anormales sont calculables à priori dans une certaine théorie microscopique avec des méthodes semi-classiques. Même si les dimensions anormales sont petites en théorie des perturbations, leur contribution intégrée le long des plusieurs e-folds pourrait mener à des effets significatifs pendant la cosmologie primordiale. / In this thesis we study the cosmological consequences of Weyl anomalies arising from the renormalization of composite operators of the fundamental fields, including the metric. These anomalies are encoded in the gravitational dressings of the operators in a non-local quantum effective action. We derive the evolution equations that follow from this action and look for cosmological solutions. For simplicity, we focus on Einstein-Hilbert gravity with a cosmological constant. We first consider two-dimensional gravity, where Liouville theory allows us to compute the gravitational dressing of the cosmological constant operator. Using a Weyl-invariant formulation, we determine the gauge-invariant but non-local effective action, and compute the corresponding non-local momentum tensor. The Weyl anomalies modify the full quantum momentum tensor, not only its trace, and hence lead to interesting effects in the cosmological dynamics. In particular, we find a decaying vacuum energy and a slow-down of the de Sitter expansion. In four dimensions, motivated by our results in two dimensions, we parametrize the effective action with scale-dependent gravitational dressings, and compute the general evolution equations. In the approximation of constant anomalous dimensions, the momentum tensor leads to a decaying vacuum energy and a slow-roll quasi-de Sitter expansion, just as in two dimensions. The anomalous dimensions are in principle computable in a given microscopic theory using semiclassical methods. Even though the anomalous dimensions are small in perturbation theory, their integrated effect over several e-folds could add up to something significant during primordial cosmology.

Le fond diffus cosmologique (CMB) permet d'étudier la physique à l'oeuvre dans l'univers primordial.Ses anisotropies ont été mesurées récemment avec une haute précision par le satellite Planck. Ces mesures sont en accord avec les prédictions de l'inflation, la théorie décrivant une période d'expansion rapide et accélérée de l'univers primordial. Pour distinguer les différents modèles d'inflation, il est important de chercher des déviations de la distribution gaussienne des anisotropies du CMB, appelées non-gaussianités.Cette thèse est consacrée à l'étude, à la fois des points de vue observationnels et théoriques, des non-gaussianités du type bispectral (liées aux fonctions de corrélations à trois points), caractérisées par les paramètres d'amplitude fNL.Après une partie introductive sur le modèle standard de la cosmologie et la théorie des perturbations cosmologiques,la deuxième partie de ce manuscrit décrit la méthode de l'estimateur de bispectre binné, utilisée pour extraire de l'information sur les non-gaussianités à partir des mesures du CMB. Pour obtenir des informations sur l'univers primordial, les données doivent être nettoyées de la contamination dûe aux avant-plans galactiques. Nous vérifions les résultats au niveau du bispectre. Des modèles numériques de plusieurs avant-plans galactiques sont déterminés à partir des données de Planck. Ces modèles ont été utilisés dans des analyses des cartes de la température du CMB et du ciel brut, afin d'améliorer la détermination de la quantité de non-gaussianités primordiales.La troisième partie de ce manuscrit porte sur l'étude des non-gaussianités bispectrales produites dans des modèles d'inflation à deux champs avec des termes cinétiques standards. Il est important de mieux comprendre quelles régions de l'espace des modèles d'inflation ont été éliminées par les résultats de Planck.Nous appliquons une nouvelle expression de fNL au cas d'un potentiel somme et nous montrons qu'il est très difficile de satisfaire en même temps aux conditions permettant fNL grand et la contrainte observationnelle sur l'indice spectral ns. Pour le cas de la somme de deux potentiels monomiaux et d'une constante, nous montrons explicitement dans quelles régions de l'espace des paramètres cela est possible et comment construire un tel modèle. Finalement, nous utilisons la nouvelle expression pour fNL pour montrer que dans le cas du potentiel somme, les résultats analytiques restent valides au-delà de l'approximation de roulement lent. / A powerful probe of the physics at play in the early universe is the Cosmic Microwave Background(CMB). Its anisotropies have been measured recently with high precision by the Planck satellite. These measurements are in agreement with the predictions of inflation, a theory describing a period of fast and accelerated expansion in the early universe. To discriminate between the different inflation models, it is important to look for deviations from Gaussianity of the CMB anisotropies (i.e. non-Gaussianity). This thesis is devoted to the study of non-Gaussianity of the bispectral type (related to the three-point correlation functions) parametrized by its amplitude parameters fNL, both from the theoretical and observational points of view.After an introductory part on standard cosmology, the second part of the thesis describes the method of the binned bispectrum estimator, used to extract information about non-Gaussianity from CMB measurements.In order to recover information about the primordial universe, one has to clean observational data from the contamination caused by galactic foregrounds. We verify the results at the bispectral level. Numerical templates for the temperature bispectra of several galactic foregrounds are determined using data from the 2015 Planck release. These templates are then used to perform joint analyses on raw sky and CMB temperature data maps, to improve the determination of the amount of primordial non-Gaussianity. In the third part, the level of bispectral non-Gaussianity produced in two-field inflation models with standard kinetic terms is investigated using the long-wavelength formalism. It is important to better understand what regions of inflation model space have been ruled out by Planck. We apply a newly derived expression for fNL to the case of a sum potential and show that it is very difficult to satisfy simultaneously the conditions for a large fNL and the observational constraints on the spectral index ns. In the case of the sum of two monomial potentials and a constant we explicitly show in which small region of parameter space this is possible, and we show how to construct such a model. Finally, we also use the new expression for fNL to show that for the sum potential,the explicit expressions remain valid even beyond the slow-roll approximation.

La compréhension des premiers instants de notre Univers complèterait notre description de son histoire et permettrait également une exploration de la physique fondamentale à des échelles d'énergie jusque là inatteignables. L'inflation cosmique est le scénario privilégié pour décrire ces premiers instants car il s'intègre très bien dans le modèle standard de la cosmologie. Selon ce scénario l'Univers aurait connu une courte période d'expansion accélérée peu après le Big Bang. Quelques indices favorisent ce modèle cependant toujours en attente d'une signature observationnelle décisive. Les modes B du fond diffus comologique (FDC) aux grandes échelles angulaires sont générés par les ondes gravitationnelles primordiales, produites durant l'inflation cosmique. Dans ce cadre, la détection des modes B primordiaux est le but de nombreuses expériences, actuelles ou à venir. Cependant, des effets astrophysiques et instrumentaux rendent sa détection difficile. Plus précisément, une couverture incomplète de la polarisation du FDC (inhérente à toute observation du FDC) entraine la fuite des modes E dans B, un problème majeur dans l'estimation des modes B. Cet effet peut empêcher une détection des modes B même à partir de cartes parfaitement nettoyées, car les modes E fuyant (beaucoup plus intenses) masquent les modes B. Diverses méthodes offrant une estimation de modes B théoriquement non affectés par cette fuite, ont été récemment proposées dans la littérature. Cependant, lorsqu'elles sont appliquées à des expériences réalistes, elles ne corrigent plus exactement cette fuite. Ces méthodes doivent donc être validées dans le cadre d'expériences réalistes. Dans ce but, j'ai travaillé sur l'implémentation et le développement numérique de trois méthodes typiques de pseudospectres. Ensuite, je les ai testé dans le cas de deux expériences fiducielles, typiques d'une expérience suborbitale et d'une potentielle mission satellite. J'ai alors montré l'efficacité et la nécessité d'une méthode en particulier: la méthode dite pure. J'ai également montré que le cas d'une couverture quasi complète du ciel n'est pas trivial, à cause des contours compliqués du masque galactique et des points sources. Par conséquent, une estimation optimale de pseudospectre des modes B exige l'utilisation d'une telle méthode également dans le contexte d'une mission satellite. Grâce à cette méthode, j'ai fait des prévisions réalistes sur les contraintes qu'une détection de la polarisation du FDC pourra apporter sur la physique de l'Univers primordial. J'ai tout d'abord étudié la détectabilité du rapport tenseur-sur-scalaire r qui quantifie l'amplitude des ondes gravitationnelles primordiales, directement relié à l'échelle d'énergie de l'inflation, dans le cas de différentes expériences dédiées à la détection de la polarisation du FDC. J'ai montré qu'une mission satellite nous permettrait de mesurer un rapport tenseur-sur-scalaire de l'ordre de 0.001, autorisant une distinction entre les modèles d'inflation à champ fort et faible. De plus, dans le cas d'une extension du modèle standard de la cosmologie, des corrélations EB et TB du FDC peuvent être générées. En particulier, j'ai prévu les contraintes que nous pourrons mettre sur une violation de parité durant l'univers primordial à partir d'observations sur une grande ou une petite partie du ciel. Mes résultats ont montré qu'une expérience satellite est nécessaire pour mettre des contraintes sur une gamme de modèles de violation de parité. J'ai finalement abordé la problématique de la détectabilité d'une signature observationnelle d'un champ magnétique primordial. / A deep understanding of the first instants of the Universe would not only complete our description of the cosmic history but also enable an exploration of new fundamental phsyics at energy scales unexplored on Earth laboratories and colliders. The most favoured scenario which describes these first instants is the cosmic inflation, an ephemeral period of accelerated expansion shortly after the big bang. Some hints are in favour of this scenario which is however still waiting for a smoking-gun observational signature. The cosmic microwave background (CMB) B modes would be generated at large angular scales by primordial gravitational waves produced during the cosmic inflation. In this frame, the primordial CMB B modes are the aim of various ongoing or being-deployed experiments, as well as being-planned satellite mission. However, unavoidable instrumental and astrophysical features makes its detection difficult. More specifically, a partial sky coverage of the CMB polarisation (inherent to any CMB measurements) leads to the E-to-B leakage, a major issue on the estimation of the CMB B modes power spectrum. This effect can prevent from a detection of the primordial B modes even if the polarisation maps are perfectly cleaned, since the (much more intense) leaked E-modes mask the B-modes. Various methods have been proposed in the literature offering a B modes estimation theoretically free from any leakage. However, when applied to real data, they are no longer completely leakage-free and remove part of the information on B-modes. These methods consequently need to be validate in the frame of real data analysis. In this purpose, I have worked on the implementation and numerical developments of three typical pseudospectrum methods. Afterwards, I have tested each of them in the case of two fiducial experimental set ups, typical of current balloon-borne or ground based experiments and of potential satellite mission. I have therefore stated on the efficiency and necessity of one of them: the so-called pure method. I have also shown that the case of nearly full sky coverage is not trivial because of the intricate shape of the contours of the point-sources and galactic mask. As a result this method is also required for an optimal B modes pseudospectrum estimation in the context of a satellite mission. With this powerful method, I performed realistic forecasts on the constraints that a CMB polarisation detection could set on the physics of the primordial universe. First of all, I have studied the detectability of the tensor-to-scalar ratio r, amounting the amplitude of primordial gravity waves and directly related to the energy scale of inflation, in the case of current suborbital experiments, a potential array of telescopes and a potential satellite mission. I have shown that a satellite-like experiment dedicated to the CMB polarisation detection will enable us to measure a tensor-to-scalar ratio of about 0.001, thus allowing for distinguishing between large and small field models of inflation. Moreover, in extension of the standard model of cosmology, the CMB EB and TB correlations can be generated. In particular, I have forecast the constraints that one could set on a parity violation in the gravitational waves during the primordial universe from observations on a small and a large part of the sky. Our results have shown that a satellite-like experiment is mandatory to set constraints on a range of parity violation models. I finally address the problematic of the detectability of observational signature of a primordial magnetic field.

Cette thèse s’articule autour du développement d'outils d’analyse des modes B du fond diffus cosmologique (CMB) dans le but d'estimer l’amplitude des ondes gravitationnelles primordiales produites durant la période inflationnaire.Nous nous intéressons plus précisément aux grandes échelles angulaires, pour lesquelles le signal attendu des modes B primordiaux est dominant. Ces échelles étant particulièrement contaminées par des émissions polarisées galactiques, nous avons étudié et développé des méthodes permettant de réduire ces contaminations et de caractériser les résidus. Ces outils peuvent être utilisés pour analyser les données des satellites tels que Planck ou LiteBIRD. Afin de quantifier l’amplitude des modes B, nous avons développé et caractérisé un estimateur de spectre en puissance des anisotropies du CMB. Celui-ci s’exécute dans l'espace des pixels et permet de croiser des cartes mesurées par différent détecteurs. La méthode est optimale, et minimise les fuites de variance des modes E vers les modes B.Nous avons appliqué les méthodes de nettoyage et d’estimation de spectre aux cartes de données et de simulations en polarisation fournies publiquement par Planck. Nos contraintes sur la comportement spectral de la poussière et du rayonnement synchrotron galactique sont en accord avec les analyses précédentes. Enfin, nous avons pu déduire une limite supérieure sur l’amplitude des ondes gravitationnelles primordiales. / This thesis focuses on the development of analysis tools of the primordial B modes of the Cosmic Microwave Background (CMB). Our goal is to extract the amplitude of the primordial gravitational waves produced during the inflationary period.Specifically, we are interested in the large angular scales, for which the primary B modes signal is expected to be dominant. Since these scales are particularly contaminated by polarised galactic emissions, we have studied and developed approaches to reduce those contaminations and to characterise their residuals. Those methods are applicable to satellite missions such as Planck or LiteBIRD.In order to estimate the B modes amplitude, we developed and characterised a CMB anisotropies power spectrum estimator. The algorithm is pixels-based and allows to cross-correlate maps measured by different detectors. The method is optimal and minimises the E-to-B variance leakage.We applied the cleaning and spectrum estimation approaches to the polarisation data and simulation maps publicly provided by Planck. The constraints that we deduce are in agreement with past analysis. Ultimately, we derive an upper limit on the primordial gravitational waves amplitude.

Le satellite Planck est le satellite de troisième génération visant à observer le fond diffus cosmologique. La résolution et la sensibilité de ses instruments permettent pour la première fois de mettre en évidence les effets de lentille gravitationnelle subis par les photons du fond diffus cosmologique. Cette thèse présente une méthode originale de détection de ces effets dans les données de l'instrument HFI de Planck.La première partie donne dans un premier temps, une description générale du modèle standard de la cosmologie et de la physique du fond diffus cosmologique. Elle aborde ensuite en détails l'effet de lentille gravitationnelle, en se concentrant plus particulièrement sur son impact sur les observables du fond diffus cosmologique. Elle termine par une présentation du satellite Planck et de ses instruments.La seconde partie se concentre sur la description d'un ensemble d'outils de simulations et d'analyse que j'ai développé au cours de ma thèse afin de réaliser la première détection des effets de lentille gravitationnelle sur le fond diffus cosmologique. Elle présente la méthode originale employée qui repose sur une analyse des cartes du ciel par morceaux, permettant de s'affranchir des zones du ciel les plus contaminées. On trouvera également dans cette partie une caractérisation, de l'estimateur du champ de potentiel de lentille, pour des cartes masquée, en présence de bruit inhomogène ainsi que la présentation d'une méthode pour corriger les biais de l'analyse à l'aide de simulations Monte-Carlo.La dernière partie, est consacrée au travail sur les données de l'instrument HFI. Le premier chapitre présente l'application de la méthode d'analyse précédente aux cartes des observations combinées à 143GHz et 217GHz ainsi que la carte issue de la séparation des composantes avec l'algorithme GMCA. Les résultats montrent un spectre de puissance de la déflexion compatible avec le spectre attendu, dans un modèle lambda CMB, calculé à partir des paramètres cosmologiques issus de WMAP intégrant sept années d'observations. Les points de mesure, issus du spectre combiné des cartes à 143GHz et 217GHz, pour les multipôles inférieurs à 500, donnent un Chi2 par degré de liberté de 1.26. Finalement, le dernier chapitre présente l'algorithme de compression des données de l'instrument HFI à bord du satellite. Il traite en détail le réglage et le suivi des paramètres de compression et du débit des données, depuis le lancement du satellite et fait le bilan sur les erreurs de compression rencontrées

N.c. / N.c.

Les travaux présentés dans ce manuscrit ont comme fil conducteur la compréhension des détecteurs des instruments Archeops et Planck-HFI ainsi que la lutte contre les effets systématiques dans le but de reconstruire le spectre de puissance des anisotropies de température du Fond Diffus Cosmologique. <br />Après une introduction sur la physique, nous décrivons, dans une première partie, l'étalonnage des bolomètres des deux instruments à partir de sources pulsées constituées de fibres de carbone que nous avons mises au point pour mesurer les fuites optiques entre les différents étages cryogéniques du plan focal. Nous montrons l'analyse de ces fuites optiques à partir des données d'Archeops, ainsi que les mesures de diaphonie et de constantes de temps des bolomètres du modèle cryogénique de Planck-HFI. Nous présentons également l'analyse de la conductivité thermique et de la capacité calorifique des fibres afin de modéliser le comportement thermique et l'émission de ces sources.<br />La seconde partie est consacrée à l'étude des effets systématiques de l'analyse des anisotropies. Nous décrivons les mesures des lobes au sol et en vol, l'analyse des constantes de temps des bolomètres et l'étalonnage en flux à partir des données sur Jupiter pour Archeops. Nous montrons ensuite comment extraire les spectres de Fourier sur les cercles et comment cette dernière analyse nous renseigne sur le fond diffus, ce que nous illustrons avec les données de vol d'Archeops.<br />Le dernier chapitre présente un projet de mission submillimétrique permettant de cartographier tout le ciel à grande résolution dans le but de mesurer la polarisation de la poussière dans la galaxie.