Étude de la raie de l'hydrogène à 21 cm comme sonde cosmologique des âges sombres et de l'aube cosmique

Les Âges Sombres et l’Aube Cosmique - qui s’étendent de la recombinaison à l’origine du fond diffus cosmologique (CMB) jusqu’à la large réionisation du Milieu InterGalactique (IGM) - sont des époques mal connues de l’histoire de l’Univers car peu d’observations sont capables de les sonder. Le signal de la raie 21cm, correspondant à la transition de retournement de spin dans l’hydrogène neutre - qui compose la majorité de l’IGM - est une sondeprometteuse pour explorer ces périodes. L’étude du signal 21cm pendant les Ages Sombres donne accès privilégié à l’histoire de la croissance des perturbations jusqu’à leur effondrement en structures non-linéaires. Son étudedurant l’Aube Cosmique permettra de contraindre les propriétés de l’IGM, influencées à la fois par les propriétés astrophysiques des générations successives d’étoiles et de galaxies, ainsi que par la cosmologie sous-jacente. Dans cette thèse, j’explore les différentes échelles de la formation des structures avec le signal 21cm, étudié d’abord à l’échelle de structures individuelles, puis comme outil pour contraindre des modèles cosmologiques altérant le spectre de puissance de la matière. Le premier axe de cette thèse vise à estimer le signal 21cm provenant de de régions de l’Univers présentant des surdensités en effondrement pendant les Ages Sombres. En utilisant le code CHEMFAST de calcul des abondances des espèces, et en incorporant un scénario d’effondrement sphérique tenant compte de la pression, j’étudie leseffets de la présence de molécules dans le gaz au sein d’une région de sur-densité en effondrement. En particulier, je montre que l’influence thermique des molécules sur température du gaz affecte également le signal 21cm àl’intérieur de ce type de structures, témoignant d’une signature distincte du signal global attendu pendant les Âges Sombres. J’examine égalament la variation du signal 21cm en fonction de la masse des régions en effondrement,indiquant que les signatures les plus proéminentes sont attendues en provenance des halos de plus faible masse. Dans le second axe de ma thèse, j’effectue une analyse par matrice de Fisher de la sensibilité des futures ob-servations à 21 cm avec le télescope HERA à des modèles cosmologiques incluant des espèces relativistes supplémentaires en libre écoulement, ainsi et des espèces de radiation sombre supplémentaires interagissant avecla matière noire. Je montre que la sensibilité du télescope HERA peut surpasser celle des observations du CMB par le satellite Planck pour une partie des scénarios d’interaction. De plus, la combinaison des observations 21cmavec de l’information en provenance du CMB offre une amélioration considérable de sensibilité à ces modèles cosmologiques, indiquant une amélioration potentielle des contraintes actuelles sur ces modèles grâce aux observations du signal 21cm à venir.