Détermination des paramètres cosmologiques à l'aide des supernovae de type Ia à grands ...

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by  Delphine Guide

D´etermination des param`etres cosmologiques `a l’aide des
supernovae de type Ia `a grands d´ecalages vers le rouge
Delphine Guide
To cite this version:
Delphine Guide. D´etermination des param`etres cosmologiques a` l’aide des supernovae de type
Iaa`grandsd´ecalagesverslerouge. Cosmologieetastrophysiqueextra-galactique[astro-ph.CO].
Universit´e Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2005. Fran¸cais. <tel-00010942>
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THÈSEDEDOCTORAT
présentée
devantl’UNIVERSITÉ PARISVI-PIERREET MARIECURIE
pour obtenirletitrede
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉPARISVI
Spécialité: Champs,Particules,Matières
par
Delphine GUIDE
Détermination des paramètres cosmologiques à l’aide de
supernovæ de type Ia à grands décalages vers le rouge
Soutenuele28 septembre2005devantlaCommissiond’examencomposéede
Jury : M. Michael Joyce Présidentdujury
M. Pierre Astier Directeurdethèse
M. James Bartlett Rapporteur
M. Pascal Debu Examinateur
M. François Hammer Rapporteur
2
À mafamille,quia toujoursétéprésente
4
Remerciements
Je remercie en premier lieu Jean-Eudes Augustin pour m’avoir accueillie dans son laboratoire. Un
grandmerciégalementàl’ensembledupersonnelduLPNHE,toujourstrèsdisponible.
Je remercieparticulièrementlesdifférentsmembresde mon jury:JimBartlettetFrançoisHammer
pouravoir acceptéd’êtremesrapporteurs,PascalDebu pouravoir bien vouluêtreexaminateur, et enfin
MichaelJoycepouravoiracceptéd’êtreprésidentdecejury.
Un merci général au groupe Supernovæ, à Julien et Nicolas pour avoir répondu à mes questions et
à Pierre Astier pour avoir accepté d’être mon directeur de thèse. Un merci plus particulier aux anciens
thésards, Julien et Greg, qui m’ont permis de débuter dans le groupe et dans le C++ notamment. Votre
aide m’a été très précieuse, ainsi que votre soutien et votre compréhension de ces moments difficiles
quel’onpeuttraverserdurantcestroisannéesdesolitude.Bonnechancedansvos carrièresrespectives.
Je tienségalementà remercierceux qui auront fait uncourt passage dansle groupe, Richard, Serena et
Gabriele, pourleur gentillesse et leur disponibilité,et surtoutje tiensà féliciterSerena pouravoir eu le
couragedecontinueràorganisernosréunionshebdomadaires,siutilesauxthésards.
Jeremercieénormémentlesjeunesdulaboratoire,dansledésordre(etj’enoubliesûrement):Manu,
Guillaume, Marc,Jean-Roch, Loïc, Claire, Sébastien,Manolito, Ruiz, mes colombiens préférés(Diego
etLuz),lesespagnols,les“ritals”,ceuxquisontdéjàpartis(Julien,Greg,Pierre,Sébastien),sansoublier
biensûrl’adoptéduLPNHE:Bruno.Grâceàvousj’aipassédetrèsbonsmomentsaulaboetendehors,
etjegarderaidetrèsbonssouvenirsdecettepériode.
Lavieparisiennen’auraitsûrementpasétélamêmesanslesamisquej’aipurencontrerici,jepense
en particulier à ceux du DEA et surtout à mes deux (ex-)colocataires : Manu et Gilles pour toutes ces
bonnessoiréesqu’on a passées.Je tiensaussi à remercierspécialementmes amismarseillais delongue
date:Cécile,Claire,Mathieu,Sophie,Sébastien,Claire-Lise,PascaletChristophe.
Enfin tout cela n’aurait pas été possible sans ma famille qui m’a soutenue depuis le début et qui a
toujours été présente. Un immense merci à mes parents, mon frère et mes grands parents pour tout ce
quevousavezfaitpourmoi.
Quant à toi David, je ne sais comment te remercier pour ta gentillesse, ton soutien constant, tes
conseilsettoutuntasd’autreschoses.Tum’asbeaucoupaidéeàfinir cettethèse,jetedoisbeaucoup...
i
ii
Table des matières
Remerciements i
Introduction 1
1 Cadrecosmologique 3
1.1 DuprincipecosmologiqueauxéquationsdeFriedmann . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.1 Leprincipecosmologique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.2 LamétriquedeRobertson-Walker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.3 Leséquationsd’Einstein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.4 ÉquationdeFriedmann-Lemaître . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2 Lesparamètrescosmologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.1 Ledécalagespectralverslerouge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.2 Lesparamètrescosmologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.3 Évolutiondel’univers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3 Quelquesmotssurl’énergienoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3.1 Énergieduvideetconstantecosmologique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3.2 Laquintessence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4 Déterminationdesparamètrescosmologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4.1 Mesurededistances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4.2 Relationmagnitude-décalagespectral:lediagrammedeHubble . . . . . . . . . 17
1.4.3 Lefondderayonnementcosmologique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.4.4 Testspoursonderl’énergienoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2 Lessupernovæ 27
2.1 Lessupernovæ :généralités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.1.1 Unpeud’histoire... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.1.2 Classification observationnelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.1.3 Fréquenced’explosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2 Évolutionstellaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3 Lessupernovæ gravitationnelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3.1 Évolutionetmécanismed’explosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3.2 Courbesdelumière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3.3 Nucléosynthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.4 Lessupernovæ thermonucléaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
(cid:0) (cid:1)(cid:2)(cid:4)(cid:3)(cid:6)(cid:5)(cid:8)(cid:7)
2.4.1 Évolutiondesétoilespeumassives( ) . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.4.2 Delanaineblancheàlasupernova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.4.3 Uneclasserelativementhomogène . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
iii
TABLEDESMATIÈRES
2.4.4 TauxdessupernovædetypeIadistantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.4.5 Descasparticuliers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.4.6 ModèlesdeSNIa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3 SupernovædetypeIaetcosmologie 49
3.1 Paramétrisationdelacourbedelumière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.1.1 Corrélationentreluminositéaumaximumettauxdedécroissance . . . . . . . . 49
3.1.2 Facteurd’étirement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.1.3 MéthodeMLCS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.1.4 Corrélationentremagnitudeetcouleuraumaximum . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.1.5 Corrélationsaveclamorphologiedelagalaxiehôte . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.1.6 Corrélationsspectrales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.2 DiagrammedeHubble . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.2.1 LescorrectionsK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.2.2 Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.2.3 Lespoussièresgrises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.2.4 L’évolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2.5 Leseffetsdesélection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2.6 Effetdelentillegravitationnelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4 Contexteexpérimental 67
4.1 LeprojetSNLS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.1.1 Lesobjectifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.1.2 Lesinstruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.1.2.1 LetélescopeCanada-France-Hawaï, CFHT . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.1.2.2 LacaméraMegaCam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.1.3 Lesfiltres deMegaCam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.2 Stratégied’observation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2.1 Laméthodederechercheglissante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.2.2 Observationdansplusieursbandesspectrales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.2.3 LeschampsduSNLS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.3 Chaînededétection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.3.1 Traitementdesimages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.3.2 Soustraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.3.3 Détectionetinspectionvisuelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.4 Suivispectroscopique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.5 Status . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.6 Conclusionetperspectives futures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5 Courbesdelumière 91
5.1 Photométriedessupernovæ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.1.1 Alignementgéométriqueetphotométrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.1.2 Photométriedifférentielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.1.3 Fluxparnuitdelasupernova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.2 Calibrationphotométrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.2.1 Calibrationdesétoilesdechamp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
iv
TABLEDESMATIÈRES
5.2.2 Calibrationdessupernovæ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.2.3 Faussessupernovæ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.3 FiltresMegaCam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.4 Ajustementdelacourbedelumière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.4.1 Modèledelacourbedelumière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.4.2 Entraînementdumodèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.4.3 Contrôledelaprocédure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.4.4 L’ajustement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6 Résultatsdecosmologie 121
6.1 Lotsdesupernovæ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.1.1 Lotdessupernovæ proches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.1.2 Lotdessupernovæ deSNLS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
6.1.3 Comparaison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
6.2 DiagrammedeHubble . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.2.1 Estimateurdedistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.2.2 AjustementdudiagrammedeHubble . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
6.2.3 Qualitédel’estimateurdedistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.3 Résultatssurlesparamètrescosmologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
6.3.1 DiagrammedeHubble . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
6.3.2 Contoursdeconfiance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.4 Étudedeseffetssystématiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
6.4.1 Calibrationphotométrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
6.4.2 Filtres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
6.4.3 Couleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
(cid:0)(cid:2)(cid:1)(cid:4)(cid:3)(cid:6)(cid:5)(cid:8)(cid:7)
6.4.4 Effetsd’évolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
6.4.5 BiaisdeMalmquist . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
6.4.6 Récapitulatifsurleserreurssystématiquesetrésultats . . . . . . . . . . . . . . . 140
6.5 Modèlesd’énergie noire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
6.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
Conclusion 147
A Lesystèmedemagnitude 151
A.1 Définition delamagnitudeapparente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
A.2 Deuxsystèmesdemagnitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
A.3 Enpratique... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
A.4 Flux,magnitudeetdistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
B Analyseencomposantesprincipales 157
B.1 Objectif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
B.2 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
B.3 Modèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
B.4 Recherchedecorrélations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
B.4.1 Évolutiondescoefficients enfonctiondelaphase . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
B.4.2 Corrélationsavecdesparamètresphysiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
B.5 Conclusionetperspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
v