Cosmic voids in modern Cosmology: from CMB lensing cross-correlations to dynamical void identification
by
Amphitéâtre
CPPM
Composition du jury :
| Sophie Henrot-Versillé, IJCLab | Présidente |
| Enzo Branchini, Università di Genova | Rapporteur |
| Ravi Sheth, UPenn | Rapporteur |
| Ben Granett, INAF Merate | Examinateur |
| Matteo Viel, SISSA | Examinateur |
| Stéphanie Escoffier, CPPM | Directrice de thèse |
| William Gillard, CPPM | Co-encadrant |
| Pauline Vielzeuf, CPPM | Co-encadrante |
Résumé :
Les vides cosmiques, vastes régions sous-denses qui dominent le volume de l’Univers et évoluent sous l’influence de la dynamique gravitationnelle à grande échelle, se révèlent être des sondes cosmologiques puissantes. Leurs environnements à faible densité réduisent les effets non linéaires et fournissent des informations complémentaires aux sondes classiques.
Dans cette thèse, nous présentons deux études indépendantes abordant différents aspects des vides cosmiques. Premièrement, motivés par des tensions signalées entre les mesures de lentille gravitationnelle des vides et les prédictions du ΛCDM,
nous réalisons une analyse détaillée de la corrélation croisée entre les vides et le fond diffus cosmologique (CMB) à l’aide des galaxies rouges lumineuses photométriques des DESI Legacy Surveys et de la carte de lentille de Planck 2018. Des catalogues simulés de galaxies sont calibrés pour reproduire les erreurs de redshift observées
et la sparsité, et les vides sont classés en sous-populations selon leur potentiel gravitationnel. Cette stratégie permet une détection du signal de lentille à signification record (Aκ = 1.016 ± 0.054, S/N = 14.06), avec une signification encore plus élevée pour les sous-populations (Aκ = 0.944 ± 0.064, S/N = 16.94 pour les void-in-voids, et Aκ = 0.975 ± 0.060, S/N = 17.02 pour les void-in-clouds). Ces résultats lèvent les
tensions observées et soulignent l’importance cruciale d’une calibration rigoureuse des simulations ainsi que de la distinction des différentes populations de vides.
Le second volet propose une méthode novatrice d’identification des vides basée sur la dynamique, le Back-in-time Void Finder (BitVF). Les vides y sont définis comme des régions présentant un écoulement cohérent de matière, avec des centres correspondant à la divergence maximale du champ de déplacement reconstruit. BitVF réduit les effets systématiques des vides définis à partir du champ de densité,
tels que le bruit de comptage et les distorsions en espace de redshift. Nous implémentons un algorithme efficace de transport optimal, validons la méthode sur des simulations et l’appliquons à des cônes lumineux réalistes, démontrant une stabilité et une précision améliorées par rapport aux algorithmes conventionnels.
En combinant ces deux axes, ces travaux visent à exploiter pleinement le potentiel des vides cosmiques, tant du point de vue observationnel que méthodologique. Ils fournissent des mesures de haute significance, résolvent les divergences avec les prédictions théoriques et établissent un cadre pour l’identification dynamique des vides. Ces résultats constituent une base solide pour développer une cosmologie
des vides précise et robuste à l’ère des futurs sondages de galaxies à grande échelle.
Abstract :
Cosmic voids, vast underdense regions that dominate the volume of the Universe and evolve under large-scale gravitational dynamics, have emerged as powerful cosmological probes. Their low-density environments reduce non-linear effects and provide information complementary to standard probes.
In this Thesis, we present two independent studies addressing different aspects of cosmic voids. First, motivated by previously reported tensions between void-cosmic microwave background (CMB) lensing measurements and ΛCDM predictions, we perform a detailed analysis of the void-CMB lensing cross-correlation using the photometric luminous red galaxy dataset from the DESI Legacy Surveys and the Planck 2018 lensing map. Mock galaxy catalogs are carefully calibrated to reproduce observed redshift errors and sparseness, and voids are classified based on gravitational potential into different sub-populations. This strategy enables a record-significance detection of the lensing signal (Aκ = 1.016±0.054, S/N = 14.06), with even higher significance when considering subpopulations (Aκ = 0.944 ± 0.064, S/N = 16.94 for void-in-voids, and Aκ = 0.975 ± 0.060, S/N = 17.02 for void-in-clouds). These results resolve previous tensions and highlight the importance of mock calibration and population separation.
Second, we introduce the Back-in-time Void Finder (BitVF), a novel, dynamics-based method for void identification. Voids are defined as regions with coherent mass outflow, with centers at the maximal divergence of the reconstructed displacement field. BitVF reduces systematics inherent to density-based methods, such as shot noise, and the effect of redshift-space distortions. We implement an efficient optimal transport algorithm, validate the method on simulations, and apply it to realistic light-cones, demonstrating improved stability and precision compared to conventional void finders.
Together, these studies advance the observational and methodological exploitation of cosmic voids, providing high-significance measurements, resolving discrepancies with theoretical predictions, and establishing a framework for dynamical void identification. The results lay a solid foundation for precise and robust void-based cosmology in the era of next-generation surveys.
Lien Zoom :
https://univ-amu-fr.zoom.us/j/99856688833?pwd=EpPKHoHMk8wndaHqKbkYNPBOeES1z1.1