One-Dimensional Power Spectrum and Neutrino Mass in the Spectra of BOSS

Spectre de puissance à une dimension et masse des neutrinos dans les spectres de l'expérience BOSS L'objet de cette thèse est le spectre de puissance à une dimension du flux transmis dans les forêts Lyman-alpha. Les forêts Lyman-alpha sont un motif d'absorption observé dans les spectres de quasars correspondant à l'absorption de la lumière du quasar par les nuages d'hydrogène le long de la ligne de visée. C'est un outil cosmologique puissant car il sonde des échelles relativement petites de l'ordre de quelques Mpc. Il est aussi sensible à de petits effets non-linéaires tel que celui produit par des neutrinos massifs.Premièrement, nous avons développé deux méthodes indépendantes pour mesurer le spectre de puissance. La première est fondée sur une transformée de Fourier et la seconde sur une fonction de vraisemblance. Les deux méthodes sont indépendantes et ont des incertitudes systématiques différentes. La détermination du niveau de bruit dans les données spectrales a fait l'objet d'un traitement particulier, du fait de son impact significatif sur le spectre de puissance calculé. Nous avons appliqué ces méthodes à 13821 spectres de quasars provenant de la 9e publication de données de l'expérience BOSS sélectionnés à partir d'un échantillon de plus de 60000 spectres sur des critères comme le rapport signal sur bruit et la résolution spectrale. Les deux spectres de puissance mesurés sont en bon accord sur les douze domaines de décalage vers le rouge (<z>=2.2 à <z>=4.4) et sur l'ensemble des échelles (0.001 (km/s)^−1 à 0.02 (km/s)^−1). Nous avons soigneusement déterminé les incertitudes systématiques d'origine instrumentale et méthodologique de notre mesure.Ensuite, nous présentons un ensemble de simulations cosmologiques N-corps incluant de la matière noire, du gaz baryonique et des neutrinos visant à modéliser les régions de basse densité sondées par les forêts Lyman-alpha. Les simulations sont conçues pour répondre aux exigences de précision des données BOSS et eBOSS. Elles comportent 768^3 ou 192^3 particules de chaque type et explorent des volumes allant de (25 Mpc/h)^3 pour les simulations haute résolution à (100 Mpc/h)^3 pour les simulations grand volume. En utilisant une technique de raboutage, nous atteignons une précision équivalente à une simulation comportant 3072^3 particules de chaque type dans un volume de (100 Mpc/h)^3. Nous montrons que cette technique est précise à 2% sur des échelles allant de quelques Mpc jusqu'à quelques dizaines de Mpc. Nous explorons l'effet sur le spectre de puissance de 4 paramètres cosmologiques (n_s, sigma_8, Omega_m ,H_0), 2 paramètres astrophysiques (T_0, gamma) décrivant la relation température/densité du milieu intergalactique et de la somme des masses des neutrinos. En faisant varier ces paramètres autour d'un modèle central choisi en accord avec les résultats de Planck, nous avons construit une grille de simulations, permettant non seulement l'étude de l'effet de chaque paramètre individuellement mais aussi l'effet de chaque paire de paramètres. Nous obtenons ainsi un développement au deuxième ordre complet, incluant les termes croisés, autour de notre modèle central. Nous avons vérifié la validité de ce développement avec des simulations indépendantes obtenues soit avec des paramètres différents soit une graine différente pour la génération des conditions initiales. Une comparaison entre le spectre de puissance mesuré à partir des données dans la première partie et celui obtenu à partir de nos simulations montre un excellent accord.Enfin, même s'il reste des biais potentiels et des erreurs systématiques à étudier dans nos simulations, nous avons réalisé des ajustements en combinant notre mesure du spectre de puissance à d'autres sondes cosmologiques comme les mesures du fond diffus cosmologique par le satellite Planck. Ces résultats préliminaires sont très encourageants car ils mènent à des contraintes sur les paramètres cosmologiques parmi les plus précises à ce jour, en particulier sur la sommes des masses des neutrinos avec une limite supérieure à 0.1 ev.