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> HAL Id: tel-00010942 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00010942 Submitted on 9 Nov 2005 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destin´ee au d´epˆot et `a la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publi´es ou non, lished or not. The documents may come from ´emanant des ´etablissements d’enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche fran¸cais ou ´etrangers, des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou priv´es. 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