avertissement lexposé qui suit nest pas destiné au grand public. cependant, certaines parties sont...
TRANSCRIPT
Avertissement
L’exposé qui suit n’est pas destiné au grand public.
Cependant, certaines parties sont accessibles à tous (à condition d’y mettre un peu de cœur).
Pour vous guider, les diapositives ont été marquées d’un signe en haut à gauche selon le niveau de difficulté :
amoureux des sciences : contexte et démarche scientifique
physicien dans l’âme : principes physiques sous-jacents
cosmologiste averti : subtilités techniques
Amas de galaxies et effet Sunyaev-Zel’dovich :
observations et étude des effets de sélection des sondages
Thèse réalisée de septembre 2001 à juin 2004au Laboratoire de Physique Corpusculaire et Cosmologie
sous la direction de
Jean-Baptiste Melin
James BartlettJacques Delabrouille
Suivez le fil d’Ariane.
Amas de galaxieset Cosmologie
L’effetSunyaev-Zel’dovich (SZ)
Fil d’Ariane
Simulationde cartes SZ
Extractiond’amas
Fonctionsde sélection
•Archeops, WMAP, VSA
•Simulation d’observations•Cl SZ
Suivez le fil d’Ariane.
Amas de galaxieset Cosmologie
L’effetSunyaev-Zel’dovich (SZ)
Image optique
Les amas de galaxies
0,5 Mpc
0,5 Mpc
Image X
Site Internet de R. E. White
gaz chaud (H, He) ionisé à 107 Kplusieurs centaines de galaxies
matière sombre
Image optique
Les amas de galaxies
0,5 Mpc
0,5 Mpc
Image X
Site Internet de R. E. White
1014-1015 M
gaz chaud (H, He) ionisé à 107 Kplusieurs centaines de galaxies3% 12%
85%matière sombre
Formation des structures dans l’Univers
ICC, Durham
50 Mpc
50 Mpc
Formation des structures dans l’Univers
ICC, Durham
Jenkins et al., 1998
Structures et paramètres cosmologiques
m=0,3 =0,7
m=1 =0
CDM
CDM
Z=0
240h-1 Mpc
240
h-1 M
pc
Z=1 Z=3
Comptages d’amaset paramètres cosmologiques
m=0,3 =0,7
m=1 =0
CDM
CDM
M>1014 M
m=0,3 =0,7
m=1 =0
CDM
CDM
CDM
m=0,3 =0,7M>1014 M
Comptages d’amaset paramètres cosmologiques
Normalisation du spectre de puissance des fluctuations de
densité plus grande
m=0,3 =0,7
m=1 =0
CDM
CDM
CDM
m=0,3 =0,7
8 = 0,9
8 = 1,0
M>1014 M
Comptages d’amaset paramètres cosmologiques
« Surcontraindre » les paramètres cosmologiques
Bahcall et al. 1999
m
Suivez le fil d’Ariane.
Amas de galaxieset Cosmologie
L’effetSunyaev-Zel’dovich (SZ)
•Formation des structures (évolution, gaz, galaxies)•3ème contrainte cosmologique (m, , 8, w,…)
Suivez le fil d’Ariane.
Amas de galaxieset Cosmologie
L’effetSunyaev-Zel’dovich (SZ)
•Formation des structures (évolution, gaz, galaxies)•3ème contrainte cosmologique (m, , 8, w,…)
Qu’est ce que l’effet Sunyaev-Zel’dovich ?
instrument
CMB
amas de galaxies
h
hh
h’
. e-
Distorsion spectrale induite par les effets SZ thermique et cinétique
(1/2)
Effet thermique Effet cinétique
~ 10-3 ~ 10-4
[arcmin2]c
104
effet thermique
effet cinétique
(GHz)
Distorsion spectrale induite par les effets SZ thermique et cinétique
(2/2)
Un effet SZ polarisé intéressant
vitesse transverse
~ 10-7
Les atouts de l’observation SZ
Caractéristiques essentielles effet SZ « indépendant » du redshift de l’amas diffusant émission X ne
2 et diffusion SZ ne
Applications effet SZ thermique : comptage d’amas, structures à
grande échelle effet SZ cinétique (et polarisé) : vitesses à grande échelle
Expériences AMI, SZA, AMiBA, SuZIE, Bolocam, ACBAR, APEX, SPT,
ACT, Olimpo, WMAP, Planck
Carlstrom et al.
La future génération d’instruments
AMI SPT Planck
Interféromètre Bolomètres Radiomètres + Bolomètres
Sol Sol Espace
15 GHz 150 et 217 GHz 30 à 857 GHz
10 deg2 4000 deg2 41200 deg2
résolution : 2 arcmin résolution : 1 arcmin(150 GHz)
résolution : 5 arcmin(217 GHz)
sensibilité : 5K(1 mois)
sensibilité : 6K (100 GHz) (1 an et demi)
sensibilité : 10K(sur 1deg2 en 1 heure)
2005 2008 2007
8 mètres
Suivez le fil d’Ariane.
Amas de galaxieset Cosmologie
L’effetSunyaev-Zel’dovich (SZ)
•Diffusion Compton inverse des photons du CMB sur les électrons du gaz intra amas•Permet la détection d’amas à grand redshift
•Formation des structures (évolution, gaz, galaxies)•3ème contrainte cosmologique (m, , 8, w,…)
Suivez le fil d’Ariane.
Amas de galaxieset Cosmologie
L’effetSunyaev-Zel’dovich (SZ)
•Diffusion Compton inverse des photons du CMB sur les électrons du gaz intra amas•Permet la détection d’amas à grand redshift
•Formation des structures (évolution, gaz, galaxies)•3ème contrainte cosmologique (m, , 8, w,…)
instrument
CMB
amas de galaxiesh
hh
h’. e-
1 2
34
Fil d’Ariane
Fil d’Ariane : faisons le point…
instrument
CMB
amas de galaxies
h
hh
h’
. e-
1 2
3
4
• Que vont précisément observer les instruments SZ ?
Simulation de cartes SZ
• Comment extraire les amas des cartes d’observation ?
Extraction d’amas
• Comment lier le nombre d’amas observés au nombre d’amas (prédit théoriquement) réellement présents dans le ciel ?
Fonctions de sélection
…avant de passer à la suite
Fil d’Ariane
•Que vont précisément observer les instruments SZ ?
•Comment extraire les amas des cartes d’observation ?
• Comment lier le nombre d’amas observés au nombre d’amas (prédit théoriquement) réellement présents dans le ciel ?
Simulation de cartes SZ
Extraction d’amas
Fonctions de sélection
Fil d’Ariane
Simulationde cartes SZ
Extractiond’amas
Fonctionsde sélection
•Archeops, WMAP, VSA
•Simulation d’observations•Cl SZ
Objectif
Cosmologie donnée :
H0, m, , b
Cartes d’effets SZthermiquecinétiquepolarisé
rapidement
Simulation de cartes SZ
Fonction de masse (type Press-Schechter)Tirage de PoissonPositions et vitesses tirées aléatoirement
Simulations N-corpsCodes hydrodynamiques“Hubble volume”
approche intermédiaire
approche simple... approche complète...
Kneissl et al. (2001)Aghanim et al. (2003)
Thomas et al. (2002)da Silva et al. (2004)
Tirage du catalogueModélisation des amas
Fonction de masseTirage de Poisson
Modèle Te et ne fonction de M et z
Te M2/3 (1+z)
rc M1/3 (1+z)-1
La boite ”Univers”
Observateur Angle solide de la carte
Coquillez
z+dz
construite à l’aide du spectre de fluctuations de densité
P(k)
Positionset vitesses des amas
/
Corrélations spatiales
CDMm=1
CDMm=0,3 =0,7
Fil d’Ariane
Simulationde cartes SZ
Extractiond’amas
Fonctionsde sélection
•Archeops, WMAP, VSA
•Simulation d’observations•Cl SZ
•SZ thermique, cinétique, polarisé•Code rapide•Corrélations pour r>15h-1 Mpc
Fil d’Ariane
Simulationde cartes SZ
Extractiond’amas
Fonctionsde sélection
•Simulation d’observations•Cl SZ
•Archeops, WMAP, VSA
•SZ thermique, cinétique, polarisé•Code rapide•Corrélations pour r>15h-1 Mpc
3º
3º
Carte d’amas SZ Carte d’observation simulée à 15 GHZ
Expérience AMI (mono fréquence)
y T/T
Simulation de cartes d’observations réalistes
Contribution d’amas SZ non résolus au spectre de puissance des anisotropies du CMB
Fil d’Ariane
Simulationde cartes SZ
Extractiond’amas
Fonctionsde sélection
•Simulation d’observations•Cl SZ
•Archeops, WMAP, VSA
•Cl SZ en accord avec l’excès CBI si 8 supérieur de 10%
•SZ thermique, cinétique, polarisé•Code rapide•Corrélations pour r>15h-1 Mpc
Fil d’Ariane
Simulationde cartes SZ
Extractiond’amas
Fonctionsde sélection
•Simulation d’observations•Cl SZ
•Archeops, WMAP, VSA
•Cl SZ en accord avec l’excès CBI si 8 supérieur de 10%
•SZ thermique, cinétique, polarisé•Code rapide•Corrélations pour r>15h-1 Mpc
Les algorithmes de détection existants
Hobson et al., 2003Herranz et al., 2002Diego et al., 2002
performantemais
gourmande en temps
rapidemais
construite pour Planck
filtres ingénieuxmais
“blending” non pris en compte
observation ajustement du « fond » « fond » soustrait carte SExtractor
Méthodes classiques
Nouvelles méthodes SZ
NATM
Principe du filtre adapté (1/2)
PROFIL NORMALISE BRUIT
AMPLITUDE ?
CMB
CMB+lobe
bruit instrumental
c=2 arcmin
c
MAest •Estimateur linéaire•non biaisé <Aest-A>=0•minimise la variance <(Aest-A)2>
Aest (S/N)est= Aest/
Principe du filtre adapté (2/2)
mono fréquence & multi fréquence
)(
)()(
lP
lTl c
dans l’espace de Fourier dans l’espace réel
• Anisotropies primaires du CMB• Lobe instrumental (fwhm=2 arcmin)• Bruit blanc insrumental (T=20 K/pix)• Sources radios (S<0,1mJy à 15 GHZ)• Multi fréquence (=15, 30, 90 GHz)• Cosmologie : CDM
3º
3º
pix=30’’
Extraction d’amasSimulations
15 GHz 30 GHz 90 GHz
Extraction d’amasFiltrage adapté des cartes
c(filtre)=0,1 arcmin
c(filtre)=0,2 arcmin
Extraction d’amasFiltrage adapté des cartes
c(filtre)=0,3 arcmin
Extraction d’amasFiltrage adapté des cartes
Extraction d’amasFiltrage adapté des cartes
c(filtre)=0,4 arcmin
Extraction d’amasFiltrage adapté des cartes
c(filtre)=0,5 arcmin
Extraction d’amasFiltrage adapté des cartes
c(filtre)=0,6 arcmin
Extraction d’amasFiltrage adapté des cartes
c(filtre)=0,7 arcmin
Extraction d’amasFiltrage adapté des cartes
c(filtre)=0,8 arcmin
Extraction d’amasFiltrage adapté des cartes
c(filtre)=0,9 arcmin
Extraction d’amasFiltrage adapté des cartes
c(filtre)=1,0 arcmin
Extraction d’amasFiltrage adapté des cartes
c(filtre)=1,1 arcmin
Extraction d’amasFiltrage adapté des cartes
c(filtre)=1,2 arcmin
Extraction d’amasFiltrage adapté des cartes
c(filtre)=1,3 arcmin
Extraction d’amasFiltrage adapté des cartes
c(filtre)=1,4 arcmin
Extraction d’amasFiltrage adapté des cartes
c(filtre)=1,5 arcmin
Extraction d’amasFiltrage adapté des cartes
c(filtre)=1,6 arcmin
Extraction d’amasFiltrage adapté des cartes
c(filtre)=1,7 arcmin
Extraction d’amasFiltrage adapté des cartes
c(filtre)=1,8 arcmin
Extraction d’amasFiltrage adapté des cartes
c(filtre)=1,9 arcmin
Extraction d’amasFiltrage adapté des cartes
c(filtre)=2,0 arcmin
Extraction d’amasFiltrage adapté des cartes
c(filtre)=2,1 arcmin
Extraction d’amasFiltrage adapté des cartes
c(filtre)=2,2 arcmin
Extraction d’amasFiltrage adapté des cartes
c(filtre)=2,3 arcmin
Extraction d’amasFiltrage adapté des cartes
c(filtre)=2,4 arcmin
Extraction d’amasFiltrage adapté des cartes
c(filtre)=2,5 arcmin
Extraction d’amasFiltrage adapté des cartes
c(filtre)=2,6 arcmin
Extraction d’amasFiltrage adapté des cartes
c(filtre)=2,7 arcmin
Extraction d’amasFiltrage adapté des cartes
c(filtre)=2,8 arcmin
Extraction d’amasFiltrage adapté des cartes
c(filtre)=2,9 arcmin
Extraction d’amasFiltrage adapté des cartes
c(filtre)=3,0 arcmin
… …
Extraction d’amasEchantillon de cartes filtrées
c(filtre)=0,1 arcmin c(filtre)=1,6 arcmin c(filtre)=3,0 arcmin
S/Ncarte>pic+ S/Nlimite*
Extraction d’amasCandidats amas
… …c(filtre)=0,1 arcmin c(filtre)=1,6 arcmin c(filtre)=3,0 arcmin
S/Nlimite = 3, 5, …
c=0,2 arcmin
c=0,1 arcmin
c=0,3 arcmin
c=3,0 arcmin
.
.
.
c donné par le maximum de S/N dans
Y fourni par la carte filtrée a l’échelle c
“blending”
Extraction d’amasDétermination de c et Y
15 GHz 30 GHz 90 GHz
Extraction d’amasUne détection efficace
Entrée Sortie
783 amas 268 amas
M>1014 M
S/N>3
Extraction d’amasMais une photométrie peu précise
c, y0 et Y
donnés par le filtre
S/N>3
rayon de cœur c
paramètre y0 paramètre Y
Extraction d’amasLe fautif est c !
y0 et Y donnés par le filtre
c vrai S/N>3
rayon de cœur c
paramètre y0 paramètre Y
Fil d’Ariane
Simulationde cartes SZ
Extractiond’amas
Fonctionsde sélection
•Simulation d’observations•Cl SZ
•Archeops, WMAP, VSA
•Cl SZ en accord avec l’excès CBI si 8 supérieur de 10%
•Extraction rapide•Détection performantemais photométrie très sensible au spectre de bruit
•SZ thermique, cinétique, polarisé•Code rapide•Corrélations pour r>15h-1 Mpc
Fil d’Ariane
Simulationde cartes SZ
Extractiond’amas
Fonctionsde sélection
•Simulation d’observations•Cl SZ
•Archeops, WMAP, VSA
•Cl SZ en accord avec l’excès CBI si 8 supérieur de 10%
•Extraction rapide•Détection performantemais photométrie très sensible au spectre de bruit
•SZ thermique, cinétique, polarisé•Code rapide•Corrélations pour r>15h-1 Mpc
WMAP, Archeops et VSAComa (z=0,02 Te=9 keV)
A1795 (z=0,06 Te=8 keV)
WMAP(90 GHz) T[mK] = -0,34 ± 0,18MITO (143 GHz) T[mK] = -0,18 ± 0,08
c=10,5 arcmin
c=2,2 arcmin
Fil d’Ariane
Simulationde cartes SZ
Extractiond’amas
Fonctionsde sélection
•Simulation d’observations•Cl SZ
•Archeops, WMAP, VSA
•Cl SZ en accord avec l’excès CBI si 8 supérieur de 10% •Détection de Coma et A1795
•SZ thermique, cinétique, polarisé•Code rapide•Corrélations pour r>15h-1 Mpc
•Extraction rapide•Détection performantemais photométrie très sensible au spectre de bruit
Fil d’Ariane
Simulationde cartes SZ
Extractiond’amas
Fonctionsde sélection
•Simulation d’observations•Cl SZ
•Archeops, WMAP, VSA
•Cl SZ en accord avec l’excès CBI si 8 supérieur de 10%
•SZ thermique, cinétique, polarisé•Code rapide•Corrélations pour r>15h-1 Mpc
•Extraction rapide•Détection performantemais photométrie très sensible au spectre de bruit
•Détection de Coma et A1795
Catalogue d’entrée Catalogue de sortie
Code de simulation SZ rapide
Comparaison
La fonction de sélection
Un triangle Monte Carlo
Code de détection SZ rapide
Fonction de sélectionPrincipe de calcul
Fonction de sélectionUn exemple concret
CDM avec excès CBICDM
Cl parfaitement connu
• simulations• détection• complétude théorique
Excès CBI
• simulations• détection• complétude théorique
Fonction de sélectionUne coupure non triviale
Cl parfaitement connuY constant
tous les amas de flux Y>5.10-5arcmin2
Y>10-4arcmin2
Y>3.10-4arcmin2
Fonction de sélectionSélection dans le plan (c,Y)
non détecté
détecté
coupure si Cl parfaitement connucoupure avec excès CBI
détecté
non détecté
Fonction de sélectionComptages observés
Cl parfaitement connuAjustement du cas précèdent (M=0,30 =0,82)
Excès CBI non modéliséAjustement du cas précèdent (M=0,40 =0,45)
tous les amas de flux Y>5.10-5arcmin2
Cl parfaitement connu
Excès CBI non modélisé
Fonction de sélectionInfluence sur les paramètres cosmologiques
Cl parfaitement connu
Excès CBI non modélisé
Fil d’Ariane
Simulationde cartes SZ
Extractiond’amas
Fonctionsde sélection
•Simulation d’observations•Cl SZ
•Archeops, WMAP, VSA
•Cl SZ en accord avec l’excès CBI si 8 supérieur de 10%
•Fonction de sélection non triviale (dépend à la fois de c et Y)•Indispensable à la détermination des paramètres cosmologiques
•SZ thermique, cinétique, polarisé•Code rapide•Corrélations pour r>15h-1 Mpc
•Extraction rapide•Détection performantemais photométrie très sensible au spectre de bruit
•Détection de Coma et A1795
Fil d’Ariane
Simulationde cartes SZ
Extractiond’amas
Fonctionsde sélection
•Simulation d’observations•Cl SZ
•Archeops, WMAP, VSA
•Cl SZ en accord avec l’excès CBI si 8 supérieur de 10%
?
•SZ thermique, cinétique, polarisé•Code rapide•Corrélations pour r>15h-1 Mpc
•Extraction rapide•Détection performantemais photométrie très sensible au spectre de bruit
•Fonction de sélection non triviale (dépend à la fois de c et Y)•Indispensable à la détermination des paramètres cosmologiques
•Détection de Coma et A1795
Conclusions (1/2)Ce qui a été fait.
• Développement de méthodes permettant d’évaluer les performances scientifiques des instruments SZ– simulation de cartes SZ corrélées– méthode d’extraction rapide des amas (filtres adaptés)– effets de sélection
• Etude d’observations millimétriques récentes– excès CBI– amas dans Archeops, WMAP et VSA– champs en aveugle de SuZIE
Conclusions (2/2) Etapes suivantes et perspectives
• Analyse exhaustive des performances de la prochaine génération d’instruments SZ
• Simulations plus complètes
– analytique : profil simulés
– hydrodynamique : physique du gaz
• Adaptation de la méthode d’extraction / Comparaison avec d’autres méthodes
• Importance des incertitudes photométriques sur la fonction de sélection
• Contraintes sur les paramètres cosmologiques (m, , 8, w,…) à partir des comptages observés et de la fonction de sélection
Bahcall et al. 1999