A.Ealet RENOIR 1 Prospectives sur l’énergie noire avec les futurs grands projets de cosmologie

2 Dark energy geometry Open questions in fundamental physics related to cosmology Dark matter Inflation Vcuum energy? Quintessence Scalar field? Modified gravity? Wimps:Supersymetry?Axions?…. Inflaton Scalar field? Extra-dimensionsBrane…

Dark energy : the Status Results almost dominated by CMB (Planck +BAO ( BOSS clustering ie BAO + RSD) SN always needed in particular to determine DE via w(z) Anderson 2014

Neutrinos and LCDM.. Sanchez 2014 Very good consistency BOSS/Planck

Cosmological constraints …. progressing evidence … but not more than LCDM  CDM is validated:  Dark energy equation of state:  w = p/  = -1 < 10 % accuracy  a cosmological constant is well confirmed

Any deviation/ Systematic ? arxiV We are at the level to start consistency/ systematic evaluation Current deviation are probably due to inconsistency in different data sets

CMB+ SN + BAO … always very far away in wa….  Equation of state : w(a) = w0 + wa(1 − a) ‘a method’ to test the agreement with  CDM ( wa=0, w0=-1 ) wa gives a sensitivity to any deviation, dynamical (as quintessence) or other type ( as modification of gravity)  To quantify the sensitivity, it is admitted to use the figure of Merit (FoM) : FoM =  w0  x  wa Today : FoM ~ 12 !!!! to test deviation to  CDM  we want FoM > 400 !!!!  Futur large experiments are needed…

The futur objectives …. How to distinguish different interpretations for Dark Energy ?  Test DE models = > Equation of state : w(a) = w 0 + w a (1 − a)  Is there a variation in time?  Test gravity => Verify that growth of structure consistent with  CDM Is the gravity law that causes structure formation consistent with the law that gouverns the expansion of the Univers??  Can constraint more physics as constraint neutrino mass -Need more precision -Need more probes -Need combination of probes -Need large set of data = > large multi probes surveys -> wide field instruments

The steps… Verify that the growth of structure is consistent with  CDM: Is gravity law that causes the structure formation consistent with the expansion of the Univers?? => Use more new probes as: RSD (redshift space distorsion in redshift surveys) Weak lensing Galaxy counts (but need better mass luminosity function) Others? (magnification, reverberation mapping) Do full combination of probes Develop more simulation of structure formation

Combination of probes Combination is the only way to test DE Combination can – Remove degeneracies – Reduce the parameter errors by the use of full correlation But …Any tension /deviation can be due to Systematic effects (wrong error from data or from modelisation) Bias on fitted values due to wrong assumption in model Bad theoritical model Can have nothing to do with DE Limitation in computing as soon as we extend the number of parameters ( 8 to 40, more?) -Combine probes on dedicated projects, ‘all’ sky’’ to reduce systematic -Use improve statistical methods to ensure no bias to test models -Develop big simulation and accurate modelisation to do systematic studies (and covariant matrix)

Overview of DE wide surveys MS-DESI also supernovae First steps Full sky dedicated projects

Euclid & LSST : two large selected projects for 2020 Goal  -reduce by 1 order of magnitude the errors on DE equation of state. -give constraint on modified gravity Remark : give also constraint on neutrino mass Method  Large sky Survey (1/3-1/5 of total sky) & deep ( mag ) Key issue  Systematic Errors  combining probes Observables  -Weak Lensing : growth of structure -Galaxy Clustering : growth of structure (RSD) -Baryon Acoustic Oscillations : standard ruler -SuperNovae : standard candle -Cluster counts A large europeen space Project selected: EUCLID A large US ground project selected: LSST

Main characteristics of EUCLID and LSST FoM ~ 1500, (all) Main probes: WL & Galaxie clustering (BAO,RSD) (spectro)) European lead project / ESA Participation of NASA ~ 1000 members Space telescope / 1.2 m mirror Launch : 2020 Mission length : 6 years 1 exposure depth : 24 mag Survey Area : sq deg (.36 sky) Filters : 1 Visible( nm)+ 3 IR ( nm) + NIR spectroscopy (1100 – 2000 nm) FoM > 800 Main probes : WL,SN, BAO(photo), US lead project / NSF-DOE Participation of France/In2P3 ~ 450 Core members to come Ground Telescope / 6.5 m effective mirror 1 st light : 2020 Observation length : 10 years 1 exposure depth : 24 mag (i) Survey Area : sq dg (.48 sky) Filters : 6 filters ( nm)

Combining WL +GC – example of tests… These numbers have a meaning only if we can control the systematic errors Dark energyneutrinosInitial conditions Modified gravity Paramete r wpwp wawa FOM m (eV) F NL  EUCLID+ Planck Current (2009) ~ Improve factor >10>50> Neutrinos mass Cerbolini, 2013

Ultimately…need to combine all probes from all projects …. Different Dark Energy probes, reduces the impact of auxiliary parameters  large improvement on the constraints on the Dark Energy equation of state Planck coll 2013.

MS-DESI : a large new spectroscopic survey Merging BigBoss and DESpec propositions of large spectroscopic surveys in US Scale up BOSS to a massively parallel fiber-fed spectrometer at a 4-meter telescope. Site selection done (Mayall telescope) CD-1 late this year. CD-2 should be around mid Delivery of instrument 4 years after CD-2 Reference concept Broad range of target classes: LRG’s, ELG’s, QSO’s Broad redshift range: 0.5 < z < 1.6, 2.2 < z < 3.5 Sky area: 14,000 – 18,000 square degrees Number of redshifts: 20 – 35 million Medium resolution spectroscopy, R ~ 3000 – 5000 Spectroscopy from blue to far-red 17

Les intérêts au CPPM Comprendre l’énergie noire par un approche multisondes Travailler en interface avec la théorie et la physique(HEP) pour déterminer une stratégie dans l’interprétation de l’accélération de l’Univers. Déjà 10 ans sur ce thème : -visibilité difficile dans le cadre pur ‘DE’ combinaison multisondes -Visibilité grandissante sur les projets mais compétition féroce et difficile -L’arrivée de grands projets ‘dédiés’ devrait permettre de concrétiser l’expertise acquise

19 Les objectifs du CPPM (slide de 2003! ) Orienter les projets vers : Une imagerie grand champ ✔ Des programmes dédiés ✔ De grands projets spatiaux ✔ Préparer une physique de précision : Augmenter la statistique Un contrôle des systématiques Une combinaison de données Lever les limitations dues aux dégénérescences

Les futurs projets du CPPM – LSST… projet US DOE/NSF participation forte de l’ IN2P3 de 7 labos (soutien IR) – Le CPPM a une contribution a la construction mecanique – Le CC-IN2p3 ferra ~ 50% du processing : participation au challenge calcul – Euclid …mission ESA forte participation française Participation forte du CPPM /NISP IS/detecteur/simulation spectro Intérêt surtout sur le clustering ‘fer de lance’ de Marseille avec l’instrument NISP – DESI ? Surveillance.. Accepté et financé par le DOE Proposition de prototype de spectrographe (LAM/OHP/CPPM) avec Winlight support AMU /MIDEX /PACA Synergie clustering avec Euclid Etre sur ces projets permet de correler les informations communes.. strategie mulit sondes IN2p3 -

Plan : Combination et DE Pour le moment la combinaison est la seule méthode de test de la DE – La seule méthode efficace sur la mesure de w(z) pour lever les dégénérescences avec un traitement correct des corrélations – On commence a voir l’avantage d’une mesure bien contrainte par des données homogènes (BOSS, Planck) Dans le futur : – de nouveaux paramètres de test comme: -test de la gravite avec l’evolution de perturbations /RSD et..  - les amas? Autres? – Sensibilité aux systématiques : d’autant plus que on arrive a < 1 % de précision – Des difficultés L’approche dépend du modèle fiduciel théorique (modelisation..) très lourd en CPU surtout si on veut beaucoup de paramètres =>besoins énormes en modélisation et en simulation au %

En developpement Simulations : Utilisées comme méthode de construction des matrices de covariance Utilisées pour le contrôle des systématiques Nécessaires pour tester d’autres modèles que  CDM  Amélioration des modélisations : besoin d’expertise (hors CPPM)  Optimisation des outils statistiques pour le calcul des erreurs versus taille des données Des besoins de moyens de calcul grandissants Nationaux avec le CC centre de production de LSST et Euclid Locaux avec la gestion des analyses combinées : une mutualisation possible ( labex..)  Un rôle clef IN2P3 et CPPM dans ces aspects en préparation et a consolider

La combination des sondes 2 outils au CPPM avec CMB(camb), SN, BAO, WL – cosmoMC / Markov chain, – minuit / cmbeasy pour le frequentiste – les 2 sont installees en local et sur la datagrid A discuter les 2 approches et leurs interets… -actuellement sans financement local -Difficile a maintenir dans ces conditions: actuellement seul cosmoMC est maintenu..

VO actuel: ESR+France- Asia Jobs submission Le programme ZEN++: EUCLID+LSST+PLANK ZEN Statistique frequentiste Exploration du χ2 COSMOMC Statistique Bayésienne Chaine de Markoff CPU = 400 jours Grille de calcul :ZEN+Dirac Jobs control Dirac WEB interface EGEE: 400 processeurs*1 jour VO future: EUCLID+LSST ??

- > precise shape measurements need image in visible with very precise optical quality

Landscape of projects 27