Cette thèse couvre des aspects instrumentaux et théoriques en passant par l’analyse de données, tous liés au fond diffus cosmologique (CMB), sur lequel notre compréhension moderne de la cosmologie est largement fondée. Les défis contemporains se concentrent sur son signal polarisé, contenant des informations précieuses sur les premières phases de l’histoire de notre Univers. Cependant, la detection de ce signal de faible intensité demande la construction d’instruments extrêmement sensibles ainsi qu’une caractérisation sans précédent des émissions polarisées d’avant-plans de notre Galaxie. J’ai ainsi contribué à l’optimisation de la future mission satellite LiteBIRD ciblant les modes-B primordiaux, signature de la présence d’ondes gravitationnelles dans le plasma primordial laissées par une phase d’inflation dans les premières fractions de secondes suivant la naissance de notre Univers. En tant que membre actif de la collaboration, j’ai contribué à la production et au test de simulations instrumentales ainsi qu’à l’optimisation de la scanning strategy afin de mitiger l’impact de l’asymétrie des far side lobes sur les objectifs scientifiques. Basé sur le défi représenté par une mission si sensible, je me suis fortement investi sur la problématique visant à séparer le signal du CMB de celui de notre Galaxie. J’ai exploré en grand détail l’expansion en moments, une méthode permettant de modéliser la complexité spectrale émergeant de la variation spatiale des propriétés physiques induisant l’emission du signal de notre Galaxie. J’ai appliqué cette méthode à LiteBIRD, prouvant que l’expansion en moments fournit une direction viable pour retrouver une valeur non biaisée de l’amplitude des modes-B primordiaux. J’ai ensuite développé la première généralisation formelle de cette méthode pour le signal polarisé : l’expansion en spin-moments, permettant un traitement des propriétés géométriques uniques à la polarisation. Ce nouveau développement est riche en interprétations physiques et relie les distributions des paramètres spectraux et des orientations du champ magnétique avec les consequences obtenues lorsqu’on on les moyenne telle que la dépendance spectrale de l’angle total de de polarisation. Poursuivant cette direction au niveau des modes-E et -B, je montre que de nouvelles conséquences observables peuvent être prédites et modélisées par l’expansion en spin-moments, telles que la dépendance en fréquence du rapport E/B et les distorsions du signal EB des avant-plans Galactiques. Ces effets devront être proprement traités en quête des signaux laissés par l’inflation ou par la biréfringence cosmique, induite par la présence de mécanisme violant la parité dans l’Univers primordial. En plus de cette contribution principale, j’explore brièvement la possibilité d’utiliser le scattering transform pour modéliser conjointement la complexité statistique fréquentielle et spatiale de l’émission polarisée de la poussière pour produire des synthèses et des débruitages multifréquences. En parallèle, j’ai mené d’autres developments concernant les aspects les plus fondamentaux de nos théories physiques pouvant être sondés par les observables cosmologiques telles que le CMB. En investiguant la stabilité des constantes fondamentales sur les échelles de temps cosmologiques, je dérive les dernières contraintes en date sur les modèles de Bekenstein et du runaway dilaton dans lesquels la constante de structure fine – quantifiant la force de l’interaction électromagnétique – peut varier au cours de l’évolution cosmique. Dans les deux modèles, les contraintes sont si resserrées que les valeurs attendues pour les paramètres sont exclues. Toute théorie au delà du modèle standard de la physique des particules devra alors pouvoir rendre compte de la stabilité observée des constantes fondamentales. Ces travaux ont conduit au développement d’une version publique du Boltzmann solver code CLASS incluant la variation temporelle de la constante de structure fine. |
This thesis covers instrumental to theoretical considerations through data analysis revolving around the cosmic microwave background (CMB), on which our current understanding of modern cosmology is largely built. Contemporary challenges focus on its polarization signal, containing precious information about the very early phases of our Universe's history. However, the detection of this extremely faint signal requires the building of highly sensitive instruments as well as an unprecedented characterization of the polarized foreground signal from our Galaxy. In this direction, I contributed to the design optimisation of the future LiteBIRD satellite mission targeting the primordial B-modes, putatively induced by gravitational waves in the primordial plasma, signature of an inflationary phase in the first fractions of seconds after the birth of our Universe. As an active member of this collaboration, I contributed to the production and test of instrumental simulations and I investigated the optimization of its scanning strategy in order to mitigate the impact of far side lobe asymmetry on the science goal. Based on the challenge represented by such a sensitive mission, I strongly committed to the problem of component separation, investigating how to distinguish the CMB signal from the Galactic foregrounds. I investigated in great detail the moment expansion method, which allows to grasp the spectral complexity arising from the spatial variation of the physical conditions of emission within our Galaxy. I applied this method to the LiteBIRD mission, proving that moments provide a viable path in order to recover an unbiased value for the amplitude of the B-modes, facing the challenge represented by the high sensitivity of the experiment. Furthermore, I developed the first formal generalization of the moment expansion to polarized signal: the spin-moment expansion, allowing for a novel and proper treatment of the geometrical properties of polarization. This new development is rich in physical insights and allows to connect the distribution of spectral parameters and magnetic field orientations to the consequences of averaging, as the spectral rotation of the total polarization angle. Following this direction at the E- and B-modes level, I further showed that new observable consequences can be derived and modeled by the spin-moment expansion as the frequency dependence of the foreground E/B ratio and distortions of the EB signal. These effects – signature of the variation of the physical conditions throughout our Galaxy – will have to be properly modeled in the quest for inflation or a non zero primordial EB correlation, induced by the presence of parity violating mechanism in the early Universe, known as cosmic birefringence. In addition to this main contribution, I also briefly explored the possibility to use scattering transform to grasp together the spatial and the spectral statistical properties of polarized dust emission and produce multi-frequency synthesis and denoising. In parallel, I led other significant developments related to the most fundamental aspects of our physical theories which can be probed using cosmological observables such as the CMB. By investigating the stability of our fundamental constants on cosmological time scales, I provided the latest to date constraints on the phenomenological Bekenstein model and the string inspired runaway dilaton models in which the fine structure constant – quantifying the strength of the electromagnetic interaction – varies through cosmic history. In both models, the constraints are so tight that the expected values for the parameters are excluded. Any theory beyond our standard model of particle physics will have to account for the observed stability of the fundamental constants. These works led to the development of a version of the CLASS Boltzmann solver publicly available which allows for time variations of the fine structure constant. |