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Lemarchand, Nadege
Universite Paris-Saclay, Espace Technologique, Immeuble Discovery, Route de l'Orme aux Merisiers RD 128, 91190 Saint-Aubin (France); Universite Paris-Sud, Ecole doctorale no. 127 Astronomie et astrophysique d'Ile-de-France - AAIF, Institut d'Astrophysique Spatiale, UMR8617, CNRS, Univ. Paris-Sud, Univ. Paris-Saclay, Batiment 121, 91405 Orsay (France)2019
Universite Paris-Saclay, Espace Technologique, Immeuble Discovery, Route de l'Orme aux Merisiers RD 128, 91190 Saint-Aubin (France); Universite Paris-Sud, Ecole doctorale no. 127 Astronomie et astrophysique d'Ile-de-France - AAIF, Institut d'Astrophysique Spatiale, UMR8617, CNRS, Univ. Paris-Sud, Univ. Paris-Saclay, Batiment 121, 91405 Orsay (France)2019
AbstractAbstract
[en] The Cosmic Microwave Background (CMB) is a key cosmological probe, that sets tight constraints on the ΛCDM model of the Universe. Released 380000 years after the big bang, it exhibits tiny anisotropies in temperature and polarisation which trace the cosmic inhomogeneities at different epochs of the Universe. On the one hand, primary anisotropies give access to inflation, during which the primordial perturbations are generated. On the other hand, secondary anisotropies trace inhomogeneities in the recent Universe, which have evolved into large scale structures through gravity, starting from the primordial ones. Hence CMB anisotropies are a powerful probe of both the origin of inhomogeneities in the very early Universe, and their evolved state in the late-time Universe. This thesis deals with two aspects of inhomogeneities by first considering their production in an extension of the inflationary scenario, and second by predicting the impact of magnetic fields in large scale structures on the secondary CMB polarised anisotropies. Despite its successes, inflation does not solve the initial big bang singularity issue, where gravity might need to be quantised. In Loop Quantum Cosmology (LQC), this singularity is replaced by a quantum bounce. Single field LQC with quadratic potential has already been studied and predicts an inflation phase following the bounce. Then, primordial inhomogeneities are not only produced during inflation, but also during the bounce and the contraction preceding it. Here, I considered a multifield extension of LQC with two fields: a massive one as being the inflaton, and a massless one used as an internal clock. I first studied the background evolution of the Universe both analytically and numerically. I showed that far in the contraction, the massive field dominates the energy budget. I have also checked that inflation remains likely to happen, despite the presence of the massless field. Secondly, I investigated how perturbations are produced. Unlike the one-field case, they are now described by an isocurvature component in addition to the standard adiabatic one, the former being characteristic of multifield models, for which Planck has put upper limits. In the remote past of the contraction, these two kinds of perturbations are highly coupled. I showed how to set their initial conditions by using appropriate variables mixing both kinds of perturbations, making the coupling subdominant. These perturbations remain to be propagated through the bounce down to the end of inflation to get their primordial (cross)spectra, to be subsequently compared to observational constraints. Since its released, the CMB traveled through large scale structures before reaching us. This leads to secondary anisotropies by its interaction with these structures, like e.g. gravitational deflection or the SZ effect in clusters. Magnetic fields have been observed in galaxies and larger structures. Since these structures are also filled with free electrons, this should lead to the Faraday Rotation (FR) effect which rotates the primordial linear polarisation, turning E into B modes, and to the Faraday Conversion (FC) effect which converts linear into circular polarisation. I revisited these sources of secondary anisotropies by computing the angular power spectra of the FR angle and the FC rate by large-scale structures. I used the halo model paying special attention to the impact of magnetic field projections. I found angular power spectra peaking at multipoles l ∼ 104. Assuming a mass-independent magnetic field, the angular power spectra scale with the amplitude of matter perturbations as ∼ σ83. This scaling is however degenerated with the one of the magnetic field with halos' mass. I finally detail how to compute the full angular power spectra of polarised anisotropies, starting from the FR and FC power spectra. I also show how to reconstruct the FR and FC fields from the CMB adapting the estimators developed for lensing reconstruction. (author)
[fr]
Le Fond Diffus Cosmologique (FDC) est une sonde cosmologique cle mettant des contraintes etroites sur le modele ΛCDM de l'Univers. Emis 380000 ans apres le big bang, il montre de petites anisotropies en temperature et en polarisation qui tracent les inhomogeneites cosmiques a differentes epoques de l'Univers. D'une part, les anisotropies primaires donnent acces a l'inflation durant laquelle les perturbations primordiales sont generees. D'autre part, les anisotropies secondaires tracent les inhomogeneites dans l'Univers recent, qui ont evolue en grandes structures sous l'action de la gravite, a partir des inhomogeneites primordiales. Ainsi les anisotropies du FDC sont une sonde puissante a la fois de l'origine des inhomogeneites dans l'Univers tres jeune, et de leur etat evolue dans l'Univers recent. Cette these porte sur deux aspects des inhomogeneites: d'abord leur production dans une extension du scenario inflationnaire, puis la prediction de l'impact des champs magnetiques des grandes structures sur les anisotropies secondaires polarisees du FDC. Malgre ses succes, l'inflation ne resout pas le probleme de la singularite initiale du big bang, ou la gravite pourrait etre quantique. En Cosmologie Quantique a Boucles (CQB), cette singularite est remplacee par un rebond quantique. La CQB a un champ avec potentiel quadratique a deja ete etudiee et predit une phase d'inflation suivant le rebond. Les perturbations primordiales ne sont plus seulement produites pendant l'inflation, mais aussi pendant le rebond et la contraction le precedant. Ici, j'ai considere une extension a deux champs de la CQB avec un champ massif comme inflaton, et un champ sans masse servant d'horloge interne. J'ai d'abord etudie l'evolution globale de l'Univers de maniere analytique et numerique, montrant que loin dans la contraction, le champ massif domine le contenu energetique. J'ai aussi verifie que l'inflation reste probable, malgre la presence du champ sans masse. Puis, j'ai examine la production de perturbations: contrairement au cas a un champ, en plus de la composante adiabatique standard, elles sont ici decrites par une composante isocourbe, caracteristique des modeles multi-champs et pour laquelle Planck a mis des limites superieures. Loin dans la contraction, ces deux composantes sont hautement couplees. J'ai montre comment fixer leurs conditions initiales en utilisant des variables combinant les deux types de perturbations, rendant le couplage sousdominant. Il reste maintenant a les propager a travers le rebond jusqu'a la fin de l'inflation pour obtenir leurs spectres de puissance (croise), a comparer ensuite aux contraintes observationnelles. Depuis son emission, le FDC a voyage a travers les grandes structures avant de nous atteindre. Son interaction avec les structures engendre des anisotropies secondaires, comme celles dues a l'effet SZ dans les amas. Des plasmas magnetises ont ete observes dans les galaxies et les grandes structures. Cela devrait engendrer de la Rotation Faraday (RF) de la polarisation lineaire primordiale, transformant des modes E en B, et de la Conversion Faraday (CF) de la polarisation lineaire en circulaire. J'ai revisite ces sources d'anisotropies en calculant les spectres de puissance angulaires de l'angle de RF et du taux de CF par les grandes structures. J'ai utilise le modele de halo en pretant attention a l'impact des projections des champs magnetiques. Les spectres piquent a des multipoles l ∼ 104 et sont proportionnels a σ83, en supposant un champ magnetique independant de la masse du halo. Cette dependance est cependant degeneree avec celle qui existe entre les champs magnetiques et la masse des halos. Puis, je detaille le calcul des spectres de puissance angulaires totaux des anisotropies polarisees, a partir de ceux de la RF et de la CF. Enfin, je montre comment reconstruire les champs de RF et de CF a partir du FDC en adaptant les estimateurs developpes pour la reconstruction du lentillage gravitationnel. (auteur)Original Title
Impact des inhomogeneites cosmiques sur le FDC: perturbations primordiales dans les cosmologies en rebond a deux champs et champs magnetiques dans les structures recentes
Primary Subject
Source
12 Dec 2019; 200 p; 129 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses; These de doctorat de l'Universite Paris-Saclay, Specialite: astronomie et astrophysique
Record Type
Miscellaneous
Literature Type
Thesis/Dissertation
Report Number
Country of publication
Reference NumberReference Number
INIS VolumeINIS Volume
INIS IssueINIS Issue