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HAL Id: tel-00783033 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00783033 Submitted on 31 Jan 2013 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Empreintes de l’Énergie Noire sur la structuration de l’Univers Vincent Bouillot To cite this version: Vincent Bouillot. Empreintes de l’Énergie Noire sur la structuration de l’Univers. Cosmologie et astrophysique extra-galactique [astro-ph.CO]. Observatoire de Paris, 2012. Français. tel-00783033 Observatoire de Paris Ecole doctorale Astronomie et Astrophysique d’ˆ Ile de France Empreintes de l’´ Energie Noire sur la structuration de l’Univers Vincent Bouillot Observatoire de Paris Ecole doctorale Astronomie et Astrophysique d’Île de France THESE pour l’obtention du diplôme de DOCTORAT Astronomie et Astrophysique Empreintes de l’Énergie Noire sur la structuration de l’Univers Présentée par: Vincent Bouillot Dirigée par Jean-Michel Alimi Soutenue le 7 décembre 2012 devant le jury composé de Dr. Jean-Michel Alimi Directeur de thèse Pr. Aurélien Barrau Examinateur Pr. Alain Blanchard Rapporteur Pr. Silvio Bonometto Rapporteur Dr. Gary Mamon Président du jury Dr. Roya Mohayaee Examinateur M. Stéphane Requena Examinateur “Here lies one whose name was writ in water.” John Keats, Poetic Works, 1821 Préambule Remerciements La réussite de cette thèse est associée de diverses manières à de nombreuses personnes : par leurs conseils, leur soutien et leur amitié, ces trois années de recherche ont été une expérience extrêmement enrichissante. En premier lieu, je tiens à remercier Jean-Michel pour son rôle de directeur de thèse. Au-delà d’un simple encadrant, il m’a guidé sur le chemin de la compréhension de la réalité physique en élargissant mes réﬂexions sur le monde physique et en poussant mes raisonnements à leur terme, aﬁn d’atteindre l’état d’esprit essentiel au développement d’un projet de recherche scientiﬁque. Je remercie également Yann, Pier-Stefano, représen- tant l’équipe de cosmologie du Laboratoire Univers et Théories, pour les passionnantes discussions autour de la gravité, de la structuration, des simulations et méthodes numé- riques. En particulier, la réalisation, avec Vincent et Irène, de la simulation N-corps la plus importante en termes de volume et de nombre de particules sur le supercalculateur Curie a été une expérience inoubliable et riche en rebondissements ! Merci au service informatique pour m’avoir apporté toute l’aide et l’assistance dont j’ai pu avoir besoin durant ces trois années. En particulier, un grand merci à Fabrice Roy pour avoir répondu à mes très nombreuses interrogations parallèles MPI, Stéphane Méné pour les questions serveurs et Jean-Yves Giot pour l’entretien de mon MacBookPro qui m’a permis d’écrire sereinement ce texte. Merci également à David et aux doctorants du laboratoire pour le fameux dynamisme de la jeunesse ! Je remercie vivement Cristiano Germani avec qui, de part nos travaux sur le formalisme des perturbations cosmologiques lagrangiennes, j’ai pu eﬀectuer mon premier travail de recherche. Je tiens également à remercier André Füzfa pour m’avoir accueilli pendant plus d’un mois aux Facultés Universitaires Notre-Dame de la Paix (FUNDP) à Namur en Belgique. Nos discussions autour des modèles de gravité étendue, des champs de vitesse en cosmologie et, plus généralement des problèmes de structuration dans l’Univers ont permis d’avan- cer vers une meilleure compréhension de ces phénomènes. Je remercie les personnes du FUNDP pour m’avoir accompagné pendant ces quelques mois à Namur. iii Je remercie Roya Mohayaee et Hume Feldman pour les échanges autour des champs de vitesse qui m’ont amené un éclairage diﬀérent sur ce sujet. Ces discussions ont été à l’origine d’une étude exhaustive sur l’origine dynamique du mouvement d’ensemble local et d’un projet concernant la déviation du ﬂot de Hubble local au voisinage de l’amas de Virgo. Un grand merci à Pierre-Alain Duc pour m’avoir initié à la recherche grâce à un stage au Commissariat à l’Énergie Atomique sur les galaxies au sein du CFHTLS. Une pensée également pour Aurélien Barrau, Pierre Salati et Michael Kleisen qui m’ont emmené sur le chemin du questionnement scientiﬁque grâce à leurs enseignements en deuxième année de Master. Un grand merci à Fanny pour m’avoir soutenu dans les moments de doute et supporté dans les instants de joie (scientiﬁque) ainsi qu’à toute ma famille. En particulier, je remercie Céline, Maman, Papa et mes grands-parents pour leurs relectures attentives de ce manuscrit. Merci à mes tantes, Pascale et Marie-Jo, oncles, Philippe et Jackie, ainsi qu’à mes cousins Julien et Sylvain et à leurs soeurs Élodie et Mélanie pour leur soutien durant ces trois années. Je sais combien il n’a pas dû être facile de m’écouter parler de la structuration de l’Univers à nos repas de famille... Une petite pensée pour Jean-Luc, mon parrain et partenaire d’escalade dans le bassin parisien pour les quelques escapades en forêt de Fontainebleau ou à Connelles. Un grand merci à Olivier, Zoé et Colette pour m’avoir entrainé dans le déplacement de 58 cartons deux fois en trois ans dans des appartements de plus en plus petits... Merci également à Ethel, Jean-Marie et leurs enfants pour m’avoir aidé à déplacer les 58 cartons sus-cités ! Finalement, un énorme merci à mes traducteurs dont le nombre s’élève modestement à deux : j’ai nommé Céline et Fanny ! Au passage, merci à Paul Rubin, David MacKenzie, Richard M. Stallman, et Jim Meye- ring pour avoir inventé l’instruction rm, toujours très utile pour faire disparaitre des pétaoctets de données des simulations DEUS : Full Universe Runs. Ecole doctorale Astronomie et Astrophysique d’Île de France Résumé par: Vincent Bouillot Cette thèse est consacrée à la recherche d’empreintes spéciﬁques relatives à la nature de l’Énergie Noire dans les processus d’eﬀondrements gravitationnels linéaire et non-linéaire au travers de développements théoriques et numériques. Ainsi, plusieurs aspects de la cosmologie ont été abordés : tout d’abord, aﬁn d’étu- dier l’inﬂuence de nombreuses formes complexes d’Énergie Noire sur la structuration, le développement de la théorie des perturbations dans un formalisme covariant a per- mis d’étendre les équations classiques de Sasaki-Mukhanov aux cas de champs scalaires couplés et en présence de multiples ﬂuides cosmologiques. Ces travaux permettent de décrire l’évolution des perturbations linéaires de modèles d’Énergie Noire complexes en minimisant le nombre de degrés de liberté. Ces dernières années ont vu le nombre et la qualité des observations augmenter de ma- nière vertigineuse, tant sur la distribution de la matière dans l’Univers que sur le champ de déplacement de celle-ci. En particulier, ces observations ont permis de mettre en évidence un champ de vitesse local anormalement élevé par rapport à la prédiction du modèle standard ΛCDM. L’explication de cet excès des champs de vitesse à des échelles intermédiaires constitue l’apport principal de ces travaux de recherche : en réinterprétant les mesures anormales de champs de vitesse de Watkins et al. sur des distances intermé- diaires (∼50 h−1 Mpc) en termes d’événement rare dans le cadre de la théorie linéaire, nous avons proposé une nouvelle sonde cosmologique consistant à mesurer l’échelle à laquelle le ﬂot moyen rejoint en amplitude ce que l’on attend en théorie linéaire. Nous montrons la sensibilité de cette nouvelle sonde cosmologique dans trois modèles d’Éner- gie Noire concurrentiels. Ces résultats, développés par des méthodes analytiques, sont comparés à des mesures eﬀectuées sur des simulations numériques hautes performances auxquelles nous avons pris une part importante. Dans un second temps, à partir de ces simulations numériques, nous montrons que l’ori- gine dynamique d’un tel mouvement d’ensemble local résulte d’une asymétrie de la dis- tribution de matière à plus grande échelle (∼80 h−1 Mpc). Cette asymétrie est mise en évidence grâce à l’introduction d’un estimateur original du champ de matière quantiﬁant l’écart à la symétrie d’un champ. Finalement, nous démontrons que l’arrangement spatial des environnements présentant un champ de vitesse anormal dans l’Univers est corrélé avec la distribution des pics de densité. Cette corrélation nous indique de manière lo- cale la distribution de structures responsables du mouvement d’ensemble anormalement élevé. Une caractérisation diﬀérente de l’Énergie Noire fait appel au champ de densité dans l’Univers. En particulier, nous caractérisons ce champ de densité en terme de fonctions de corrélation et étudierons les eﬀets des champs de vitesse sur ceux-ci au travers des distorsions dans l’espace des redshifts. Nous présentons donc plusieurs résultats promet- teurs à partir des fonctions de corrélation issues des simulations Dark Energy Universe Simulation (DEUSS) pour trois modèles concurrentiels d’Énergie Noire, en distinguant espace comobile et espace des redshift d’une part et corrélation suivant la masse des halos d’autre part. Deux aspects seront particulièrement abordées dans ce travail. Tout d’abord, nous soulignons l’impact de ces mesures sur le biais en cosmologie : ils per- mettront donc de déduire de nombreux résultats sur la dépendance de ce dernier sur le modèle cosmologique et le redshift. Dans un second temps, ces mesures permettent de montrer que l’empreinte de l’Énergie Noire sur le régime non-linéaire de formation des structures dans l’Univers, déjà mise en uploads/Litterature/ thesis-vincent-bouillot.pdf