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Analyse cosmologique de l'effet de lentille gravitationnelle faible avec le relevé UNIONS
Cosmological analysis of weak gravitational lensing with the Ultraviolet Near-Infrared Optical Northern Sky (UNIONS) survey

Spécialité

Astrophysique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

12/04/2021

Durée

5 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

Kilbinger Martin
+33 1 69 08 17 53

Résumé/Summary
Using weak-lensing data from the Ultra-violet Near-Infrared Optical Northern Sky (UNIONS), the goal of this stage is to first compute the lensing correlation function and its covariance matrix. From that, the student will obtain constraints on cosmological parameters.
Sujet détaillé/Full description
Voir http://www.cosmostat.org/jobs/mk_cosmo_unions_2020
Compétences/Skills
Statistical analysis, Bayesian inference, Monte-Carlo sampling.
Logiciels
python, C.
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Caractérisation de l'expérience de ressaut hydraulique SWASI analogue à la dynamique du choc d'une supernova.

Spécialité

Astrophysique

Niveau d'étude

Bac+2

Formation

DUT/L2

Unité d'accueil

Candidature avant le

22/01/2021

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

non

Contact

FOGLIZZO Thierry
+33 1 69 08 87 20

Résumé/Summary
La caractérisation de l'instabilité du ressaut hydraulique dans la nouvelle expérience SWASI (3m50), comparée à l'expérience de 66cm (Foglizzo+12) va révéler l'incidence de la turbulence sur la dynamique de l'onde de choc avant l'explosion d'une étoile en supernova.
Sujet détaillé/Full description
Juste avant d'exploser en supernova, les étoiles massives s'effondrent sous leur propre poids et donnent naissance à une étoile à neutrons. Une onde de choc sphérique se propage vers l'extérieur et stagne pendant une seconde à 150km du centre. Le succès de l'explosion dépend de l'absorption d'une fraction suffisante des neutrinos émis avant que l'étoile à neutron se transforme en trou noir. Des mouvements transverses induits par une instabilité hydrodynamique appelée SASI (Standing Accretion Shock Instability) jouent un rôle décisif pour augmenter l'épaisseur de matière dense susceptible d'absorber les neutrinos. Ces mouvement transverses modifient aussi la vitesse et la rotation de l'étoile à neutrons résiduelle.
L'instabilité SASI peut être étudiée de façon analogique par l'expérience SWASI (Shallow Water Analogue of a Shock Instability), construite au CEA en 2011 (Foglizzo et al. 2012). La dynamique du ressaut hydraulique dans cette expérience obéit aux mêmes équations idéalisées que celle du choc dans l'étoile. L'intérêt astrophysique de l'expérience suppose de bien maitriser les limites de l'analogies et les artefacts expérimentaux. En particulier, les effets de trainée visqueuse et de turbulence doivent être bien compris. La nouvelle expérience SWASI de 3m50 offre la possibilité de caractériser ces effets turbulents, par comparaison avec l'expérience de 66cm dont le nombre de Reynolds est 15 fois plus petit et proche de la transition turbulente.
Il faudra donc caractériser le domaine d'instabilité de la nouvelle expérience et évaluer l'effet du nombre de Reynolds plus élevé et l'impact des phénomènes turbulents. La caractérisation nécessitera de mesurer des vitesses de surface, des profondeurs, des débits en choisissant les techniques les plus efficaces, éventuellement PIV stéréoscopique avec le logiciel LaVision. Le stagiaire devra aussi optimiser les techniques de mesure de période d'oscillation et taux de croissance des modes propres. Il devra définir un protocole expérimental reproductible, maitriser les barres d'erreur pour obtenir des mesures concluantes dans la perspective d'une publication scientifique.
Mots clés/Keywords
hydrodynamique
Compétences/Skills
La mesure locale des vitesses dans l'écoulement d'eau à surface libre pourra être effectuée avec la technique PIV avec le logiciel LaVision ou toute autre technique plus adaptée. Elle sera comparée à la mesure déduite de l'altitude de la surface libre au bord en utilisant l'équation de Bernoulli au point critique de l'écoulement. La mesure de profondeur pourra être effectuée par PIV stéréoscopique avec le logiciel PIV ou par simple mesure de capacité entre deux fils verticaux. La caractérisation du mélange turbulent pourra être effectuée par mesure de température de sortie, à l'aide de sondes thermocouples, dans un écoulement à température modulée en entrée.
Logiciels
Fortran, Python logiciel de mesure PIV LaVision
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Comparaison des simulations numériques et des observations de disques protoplanétaires
Comparing numerical simulations and observations of early planet-forming disks

Spécialité

Astrophysique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

07/04/2021

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

HENNEBELLE Patrick
+33 1 69 08 99 87

Résumé/Summary
Sujet détaillé/Full description
The Sun formed in a stellar cluster environment and the protoplanetary disk out of which the Earth and the other planet formed was influenced by the radiation field and dynamical interaction from other forming stars in the cluster. So far, most of our understanding of the evolution of protoplanetary disks and planet formation is based on theory and observations of isolated objects. The aim of this project is instead to start from state of the art numerical simulations of
disk populations in clusters and using available tools predict observable properties in submillimetre bands and compare these with available ALMA observations. The candidate will carry out this research as part of the European Research Council ECOGAL project aiming at understanding star and planet formation in the Galactic ecosystem. The project may lead to ERC-funded Doctoral project focused on comparing observations of the properties of protoplanetary disk populations in the Galaxy with library of state of the art numerical simulations carried out by the ECOGAL groups at AIM.
The Sun formed in a stellar cluster environment and the protoplanetary disk out of which the Earth and the other planet formed was influenced by the radiation field and dynamical interaction from other forming stars in the cluster. So far, most of our understanding of the evolution of protoplanetary disks and planet formation is based on theory and observations of isolated objects. The aim of this project is instead to start from state of the art numerical simulations of
disk populations in clusters and using available tools predict observable properties in submillimetre bands and compare these with available ALMA observations. The candidate will carry out this research as part of the European Research Council ECOGAL project aiming at understanding star and planet formation in the Galactic ecosystem. The project may lead to ERC-funded Doctoral project focused on comparing observations of the properties of protoplanetary disk populations in the Galaxy with library of state of the art numerical simulations carried out by the ECOGAL groups at AIM.
Mots clés/Keywords
simulations numériques -- transfert de rayonnement
numerical simulation - radiative transfer
Compétences/Skills
simulations numériques -- transfert de rayonnement
numerical simulation - radiative transfer
Logiciels
python fortran
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Eruptions solaires à l’ère de Solar Orbiter: caractérisation des émissions X et UV pour différents scénarios éruptifs

Spécialité

Astrophysique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

12/04/2021

Durée

5 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

STRUGAREK Antoine
+33 1 69 08 30 18

Résumé/Summary
Le but du stage est de caractériser, dans le contexte de la mission Solar Orbiter et de l'instrument STIX, les signatures en rayons X et UV des éruptions solaires à l'aide d'un modèle numérique MHD+PIC avancé. Différents scénarios physiques seront abordés pour préparer le retour scientifique de l'instrument STIX.
Sujet détaillé/Full description
Les éruptions solaires (“flares”) sont des épisodes de libération rapide de grandes quantités d’énergie magnétique accumulée dans l'atmosphère solaire dont l'une des manifestations est l'augmentation flagrante de l'émission en rayons ultraviolets (EUV) et en rayons X. Une des hypothèses actuelles est que cette énergie est stockée dans des structures magnétiques de la couronne solaire telles que des boucles coronales torsadées. Celles-ci sont susceptibles de développer des instabilités pouvant mener à la libération de cette énergie sous forme de chauffage (et éventuelle éjection) du plasma qu'elles contiennent, et à l'accélération de particules.

L'un des enjeux scientifiques actuels dans la compréhension des éruptions solaires consiste dans la mise en lien entre les modèles théoriques et les observations. En effet, le rayonnement X et EUV ne donne qu’une image indirecte de la structure magnétique sous-jacente à l’éruption. Dans le contexte du lancement de Solar Orbiter en février 2020, et du spectro-imageur en rayons X STIX à son bord, il est aujourd’hui essentiel d’étudier ce lien afin de tirer le meilleur parti des futures observations (la phase scientifique nominale des instruments de télémétrie débutera mi-2021).

Une possibilité prometteuse pour ce faire consiste à déterminer les propriétés du rayonnement X dans des simulations numériques hautes performances où l’on a accès à toutes les informations physiques sous-jacentes : densité and pression du plasma, champ magnétique, écoulements. Une telle approche a été suivie notamment par Rui Pinto dans des scénarios d’instabilité de type ‘kink’ (Pinto, Vilmer, Brun, 2015). Il est de plus possible également de caractériser les émissions non-thermiques associées à ce genre d’évènements en modélisant l’accélération de particules à l’aide de méthodes hybrides magnetohydrodynamique (MHD) + Particle-In-Cell (PIC) (Pinto, Gordovskyy, Browning, Vilmer, 2015).

Le/la stagiaire poursuivra cet effort en se concentrant sur une étude ambitieuse des différents scénarios physiques proposés par la communauté scientifique: instabilité de type ‘kink’, instabilité de type ‘torus’, et selon les progrès différents scénarios de déclenchements seront étudiés. Le/la stagiaire devra:
- Prendre en main le code PLUTO et le setup numérique MHD+PIC de boucle coronale éruptive déjà développé par A. Strugarek et R. Pinto, et se familiariser ainsi avec un code massivement parallèle sur un cluster de calcul local au CEA.
- Mettre au point la stratégie d’étude systématique afin de pouvoir simuler de façon comparable les différents scénarios éruptifs.
- Conduire l’étude paramétrique sur les plus grands supercalculateurs français.
- Développer un protocole d’analyse des simulations avec le software CHIANTI (code de calcul d'émissions électromagnétiques des raies d'un plasma chauffé largement développé et bénéficiant d'un large support collectif dans la communauté).
- Interpréter les résultats des simulations numériques: il/elle comparera les propriétés spectrales et morphologiques des émissions X thermiques et non-thermiques, et proposer des émissions synthétiques telles que l’instrument STIX pourra les observer.

Les conclusions de ce travail contribueront à une meilleure distinction et validation des modèles et scénarios d'éruption solaire débattues à présent au sein de la communauté de physique solaire. Le sujet de ce stage, fortement relié à la mission Solar Orbiter et l’instrument STIX, offre ainsi au stagiaire une excellente perspective pour les années à venir pour l’exploitation de cette mission ambitieuse de l’ESA. Le/la stagiaire sera entouré par une équipe d’experts en modélisation, simulations et observations d'éruptions solaires (A. Strugarek, R. Pinto, ainsi que A.S. Brun, F. Regnault)
Mots clés/Keywords
Solar Orbiter; STIX; Maghetohydrodynamique; Calcul Haute Performance
Compétences/Skills
Simulations numériques hautes performances Formalisme hybride magnétohydrodynamique + cinétique
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Formation de magnétar dans une proto-étoile à neutrons accélérée par fallback

Spécialité

Astrophysique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

01/02/2021

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

Guilet Jérôme
+33 6 38 62 46 30

Résumé/Summary
Certaines explosions de supernovae extrêmes proviennent probablement de la naissance des étoiles à neutrons les plus magnétisées, appelées magnétars. Pour comprendre l'origine de ce champ magnétique, ce stage développera des simulations numériques dans le scénario où la rotation de l'étoile à neutrons naissante est accélérée par de la matière retombant sur celle-ci.
Sujet détaillé/Full description
Les magnétars sont les étoiles à neutrons arborant les plus forts champs magnétiques connus dans l’univers. La naissance de ces objets figure parmi les scénarios les plus étudiés pour expliquer certaines des explosions les plus violentes de l'univers : les supernovae superlumineuses, les hypernovae et les sursauts gamma. Ce stage portera sur une question ouverte majeure : quelle est l'origine du champ magnétique extrême des magnétars ? Les mécanismes proposés pour amplifier le champ magnétique dans la phase de proto-étoile à neutrons (l’instabilité magnétorotationnelle (MRI) et la dynamo convective) nécessitent une rotation très rapide de l’étoile progénitrice et on ne sait pas encore si de telles conditions sont suffisamment fréquentes pour expliquer la formation de tous les magnétars. Nous avons donc commencé à étudier un scénario alternatif pouvant se dérouler dans une étoile progénitrice sans rotation mais où de la matière retombant sur l’étoile à neutrons (fallback) vient accélérer sa rotation (comme suggéré par des simulations numériques récentes). Ces conditions pourraient permettre une amplification du champ magnétique par la dynamo de Tayler-Spruit, un mécanisme proposé pour le transport de moment cinétique dans les zones radiatives des étoiles. L’application des formules utilisées dans les codes d’évolution stellaire suggère que ce mécanisme pourrait expliquer la formation des magnétars. Ces formules analytiques reposent cependant sur des hypothèses physiques dont la validité doit être testée à l’aide de simulations numériques pouvant décrire le développement non-linéaire de l’instabilité de Tayler. De premiers développements ont été faits pour adapter les simulations numériques de proto-étoile à neutrons étudiant la MRI et la dynamo convective à l’étude de l’instabilité de Tayler-Spruit. L’objectif de ce stage consistera à participer à ce développement du code MHD MagIC et à exploiter les simulations pour étudier le développement de l'instabilité de Tayler et sa capacité à donner naissance à un cycle dynamo. Ce stage se déroulera au sein du laboratoire de modélisation des plasmas astrophysiques au Département d'Astrophysique du CEA Saclay et sera encadré par Jérôme Guilet. Il s’inscrira dans la dynamique du projet ERC MagBURST «Exploding stars from first principles: magnetars as engines of hypernovae and gamma-ray bursts» (PI : Jérôme Guilet) notamment en collaboration avec Alexis Reboul-Salze (3e année de thèse) et Raphaël Raynaud (Postdoc).
Mots clés/Keywords
Magnétohydrodynamique, astrophysique des hautes énergies, étoiles à neutrons, supernovae, évolution stellaire, sursauts gamma
Compétences/Skills
Simulations numériques
Logiciels
Python, fortran, Code MagIC: https://github.com/magic-sph/magic
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Intégration et tests d’un prototype de gamma caméra spectrométrique miniature à semi-conducteur pixélisé
Integration and test of a spectrometric miniature gamma camera with pixelated semiconductor

Spécialité

Instrumentation

Niveau d'étude

Bac+2

Formation

DUT/L2

Unité d'accueil

Candidature avant le

01/02/2021

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

non

Contact

LIMOUSIN Olivier
+33 1 69 08 62 94

Résumé/Summary
L’Irfu développe conjointement avec la société 3D PLUS dans le cadre du laboratoire commun ALB3DO un prototype de spectro-imageur gamma à masque codé. Ce spectro-imageur miniature permet de réaliser des spectro-images pour le domaine nucléaire de 2 keV à 1 MeV en exploitant des détecteurs semi-conducteurs CdTe finement pixélisés issus de travaux de recherches et développements pour l’astronomie spatiale et l’observation solaire à haute énergie.
Irfu is developing jointly with the company 3D PLUS within the framework of the joint laboratory ALB3DO a prototype of a coded mask gamma-ray spectro-imager. This miniature spectro-imager allows the realization of spectro-images for the nuclear field from 2 keV to 1 MeV using finely pixelated CdTe semiconductor detectors resulting from research and development work for space astronomy and high energy solar observation.
Sujet détaillé/Full description
Objectifs
L’objectif du stage est de contribuer à la mise en œuvre d’un prototype de gamma caméra miniature. La phase d’intégration consistera à optimiser les procédures d’assemblage d’un tel dispositif de mesure puis d’en déterminer les performances en laboratoire sous rayonnement. Dans un second temps, le prototype sera évalué dans des conditions expérimentales réalistes au sein d’installations représentatives des applications visées pour le contrôle et la mesure de rayonnements ionisants dans des installations nucléaires.
Le but du stage est autant basé sur l’assemblage d’un dispositif nouveau que sur l’évaluation de ses performances spectrales d’une part et en imagerie d’autre part.
Environnement de travail
Le stage s’effectuera au sein du Laboratoire ALB3DO, un laboratoire commun de l’Institut de Recherche sur les Lois Fondamentales de l’Univers (IRFU) regroupant le Département d’Astrophysique et le Département d’Électronique, Détecteurs et Informatique pour la Physique et la société 3D PLUS.
Objectives
The objective of the internship is to contribute to the implementation of a miniature gamma camera prototype. The integration phase will consist in optimizing the assembly procedures of such a measuring device and then determine its performance in the laboratory under radiation. In a second step, the prototype will be evaluated under realistic experimental conditions in installations representative of the targeted applications for the control and measurement of ionizing radiation in nuclear facilities.
The aim of the training course is as much based on the assembly of a new device as on the evaluation of its spectral performances on the one hand and in imaging performance on the other hand.
Working environment
The internship will take place in the ALB3DO Laboratory, a joint laboratory of the Institute for Research on the Fundamental Laws of the Universe (IRFU) which includes the Department of Astrophysics and the Department of Electronics, Detectors and Computing for Physics and 3D PLUS.
Mots clés/Keywords
Détecteurs semi-conducteurs, gamma caméra, radioactivité, spectrométrie gamma.
Semiconductor detectors, gamma camera, radioactivity, gamma spectrometry
Compétences/Skills
Mesure physique. Des connaissances en programmation (Python) sont souhaitées. Des compétences en conception mécanique, thermique sont très utiles. Des connaissances dans les techniques du vide sont appréciées. Des compétences en électroniques sont souhaitables. Capacité de rédaction de rapports techniques indispensable. DUT mesure physique Un goût pour la physique des rayonnements, la détection, l’instrumentation scientifique et le travail en équipe sont nécessaires. Nous recherchons un(e) candidat(e) autonome, minutieux(se), créatif(ve) et réactif(ve), particulièrement intéressé(e) par les expériences de laboratoire.
Physical measurements and instrumentation. Knowledge of programming (Python) is desirable. Skills in mechanical and thermal design are very useful. Knowledge of vacuum techniques is appreciated. Skills in electronics are desirable. Ability to write technical reports is essential. Motivation for radiation physics, detection, scientific instrumentation and teamwork are required. We are looking for an autonomous, meticulous, creative and reactive candidate, particularly interested in laboratory experiments.
Logiciels
Python
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Mesures du champ magnétique intergalactique avec les sursauts gamma
Measures of the intergalactic magnetic field using gamma-ray bursts

Spécialité

Astrophysique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

21/05/2021

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

Belmont Renaud
+33169089808

Résumé/Summary
Ce stage propose de contraindre le champ magnétique intergalactique par la modélisation de la propagation des rayons gamma issus de sursauts (GRB) et l'analyse des futures observations CTA.
This internship proposes to constrain the intergalactic magnetic field by modelling the propagation of gamma rays produced by gamma-ray bursts (GRBs), and analysing future CTA observations.
Sujet détaillé/Full description
Depuis une vingtaine d’années, l’avènement des télescopes Tcherenkov a permis le développement de l’astronomie gamma à très haute énergie (>20GeV), avec des retombées dans beaucoup de domaines de l’astrophysique, et en particulier en cosmologie. La cosmologie gamma repose sur l’absorption, par la lumière infra-rouge des galaxies, des rayons gamma émis par des sources lointaines de l’Univers. Cette absorption est en effet directement liée à l’histoire de la formation stellaire et au modèle cosmologique qui conditionne l’apparition des grandes structures de l’Univers.
L’absorption des rayons gamma par les photons infrarouge produit des électrons et des positrons qui interagissent sur le fond diffus cosmologique et produisent à leur tour des rayons gamma. Ces rayons gamma secondaires peuvent eux-mêmes être absorbés, produisant en cascade de nouvelles paires électron-positron. Ces cascades électromagnétiques se développent dans le milieu intergalactique et possèdent différentes signatures qui sont recherchées dans les données : d’une part, les rayons gamma secondaires, d’énergie plus faible, créent un excès sur la partie à basse énergie du spectre ; d’autre part, le champ magnétique intergalactique (Intergalactic Magnetic Field, IGMF) dévie les particules chargées, produisant un halo diffus autour de la source et un retard dans le temps d’arrivée des rayons gamma secondaires. La recherche de ces signatures dans les observations gamma permet d’étudier ce champ magnétique dont l’origine remonte probablement aux premiers instants de l’Univers. Cette méthode permet d’accéder à des très faibles intensités et à des propriétés à grande échelle, inaccessibles aux mesures traditionnelles de champ magnétique.

Le travail de stage s’intéressera à l’étude des cascades issues des sursauts gamma (GRB) et aux contraintes qu’elles peuvent apporter sur l’IGMF en particulier avec l’observatoire CTA en cours de construction. CTA comportera à terme 19 télescopes sur le site Nord (La Palma, îles Canaries), et 99 sur le site Sud (désert d’Atacama au Chili). Le premier grand télescope de 23 m a commencé sa prise de données laissant espérer plusieurs détections dans les années qui viennent.

L’IGMF a déjà été étudié avec une population de noyaux actifs de galaxie (AGN) qui a permis d’établir des limites inférieures sur l’intensité moyenne du champ (B>10^(-16) G). Les sursauts gamma, très brefs par nature, permettront une approche basée sur les retards temporels, très différente de celle utilisée pour les AGN et donc des contraintes indépendantes et complémentaires sur l’IGMF.

Le travail de ce stage consistera à réaliser des simulations numériques de cascades issues des GRB et à étudier leurs signatures observationnelles. Plus précisément, les cascades simulées seront couplées à la chaine d'analyse développée dans le groupe pour CTA, ce qui permettra d’obtenir les contraintes sur l’IGMF. L’étudiant analysera pour cela plusieurs sursauts gamma observés. Il étudiera dans un premier temps des sursauts détectés par le satellite Fermi jusqu’à une dizaine de GeV, et dont les caractéristiques seront extrapolées au domaine d’énergie de CTA (au-delà de 20 GeV). Puis, il analysera les deux sursauts observées à très haute énergie par les telescopes Tcherenkov HESS et MAGIC (Nature, Nov. 2019).

L’étudiant(e) sera intégré(e) à l’équipe LEPCHE du Département d’Astrophysique du CEA Paris-Saclay. Cette équipe est très impliquée à la fois dans les observations de GRB, ainsi que dans la préparation de futur grand télescope Tcherenkov CTA. Les chercheurs de l’équipe sont en particulier chargés de préparer les futures observations de GRB avec CTA.
In the past 20 years, the advent of Cherenkov telescopes has allowed for the rapid growth of very high energy gamma-ray astronomy, and had provided impacts in many fields of astrophysics including cosmology. Gamma-ray cosmology is based on the absorption of very high energy photons (>100 GeV) from extragalactic sources by infrared photons emitted by stars in galaxies. Such absorption is linked to the history of star formation and to the cosmological model implied in the formation of large-scale structures in the Universe.
The absorption of gamma rays by infrared photons also produces pairs of electrons and positrons that interact with photons from the cosmological microwave background (CMB) and produce more gamma rays. These secondary high energy photons can also be absorbed, generating a cascade of pairs and photons. These electromagnetic cascades develop in the intergalactic medium and provide specific observational signatures that are searched in gamma-ray data. On the one hand, the secondary photons are responsible for an excess emission at lower emission. On the second hand, the intergalactic magnetic field (IGMF) deflects the charged particles, producing an extended halo around point sources and a time delay in the arrival of secondary gamma rays. This large-scale magnetic field is expected to originate from the very first epoch of the cosmic history. The search for these signatures in gamma-ray observations hence allows to probe this relic field at very low intensities, where traditional methods fail.

The work will focus on cascades induced by gamma-ray bursts (GRBs) and on the constrains they can provide on the IGMF. In particular, it will be done in preparation of the future CTA observatory. This array of Cherenkov telescopes will have 19 telescopes in its north site (La Palma, Canary islands) and 99 in its south site (Chili). The first 23m telescope is already operational, promising several GRB detections in the next years.
The IGMF has already be studied using active galactic nuclei (AGN), which has provided lower limits on its intensity (B>10^(-16)G). The very short duration of GRBs will allow for a very different approach, based on time delays, hence for independent and complementary constrains.
The work will consist in performing numerical simulations of gamma-ray induced cascades, using a Monte Carlo simulation code and studying their observational signatures. Namely the simulated cascades will be coupled to the CTA data analysis chain developed in the group in order to predict constrains on the IGMF. To that purpose, the student will analyze several typical GRBs. He/she will first focus on a few interesting events among the many detected at lower energy by Fermi (<10 GeV) and extrapolated to the CTA energy range. He/she will then analyze two GRBs recently observed at very high energy by existing Cherenkov telescopes (HESS and MAGIC collaborations, Nature, Nov. 2019).

The student will work in the LEPCHE team of the Astrophysics Department at CEA Paris-Saclay. The team is strongly involved in GRB observations and in the preparation of CTA in general. More specifically, its researchers are charged with the preparation for GRB observations with CTA.
Mots clés/Keywords
rayons gamma, astroparticules, cosmologie
gamma-rays, astroparticles, cosmology
Compétences/Skills
Modélisation avec des simulations numériques Monte Carlo Analyse de données
Modelling with Monte Carlo numerical simulations, Data analysis
Logiciels
fortran, python
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Prédictions cosmologiques pour la mission ATHENA
Cosmological predictions for the ATHENA mission

Spécialité

Astrophysique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

13/04/2021

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

PIERRE Marguerite
+33 1 69 08 34 92

Résumé/Summary
Athena sera le prochain observatoire X de l'ESA (2032).
Le but du stage est d'estimer, à l'aide de simulations numériques, l'impact d'Athena sur les modèles cosmologiques, à partir d'observations d'amas de galaxies
Athena will be the next ESA X-ray observatory (2032).
The proposed work aims at quantifying the power of Athena to constrain cosmological models, by means of numerical simulations of galaxy clusters.
Sujet détaillé/Full description
Contexte:
Le stage s'inscrit dans le prolongement du projet international de cosmologie XXL (http://irfu.cea.fr/xxl). Le but de ce projet est de déterminer les paramètres cosmologiques de manière indépendante, en utilisant des observations d’amas de galaxies en rayons X. Les observations sont obtenues à l’aide du satellite XMM de l’Agence Spatiale Européenne.
Le principe repose sur le fait que le nombre d’amas de galaxies formés au cours du temps dépend de manière critique de certains paramètres cosmologiques comme la densité de matière dans l’univers et le taux d’accélération de l’expansion (dont la découverte valut le prix Nobel à ses auteurs en 2011). Les observations en rayons X nous renseignent de manière directe sur l’existence, la masse et la distance des amas de galaxies.
ATHENA est le successeur d'XMM et la deuxième mission 'Large' sélectionnée dans le cadre du programme Cosmic Vision de l'ESA. Le lancement est prévu au début des années 2030. Par rapport à XMM, ATHENA sera beaucoup plus sensible et aura un champ plus grand.

But du stage:
Le but du stage est d'analyser des simulations d'un survey du ciel en rayons X par ATHENA (instrument WFI). Il s'agira de détecter les amas de galaxies et d'en déduire les contraintes cosmologiques.
Le calcul cosmologique sera fait à l'aide d'une méthode innovante, ASpiX, dite de 'forward modelling', qui permet de traiter de manière élégante nombre d'incertitudes systématiques.
Si la mission EULCID (optique + infrarouge) doit déjà fournir des informations très précises sur l'équation d'état de l'énergie sombre, celles-ci proviendront en grande partie de l'univers situé entre z=0-1 (amas). Avec ATHENA, il sera possible pour la première fois de sonder systématiquement un grand volume d'univers situé entre z=1-2 et donc, d'obtenir un recensement des amas de galaxies X dans cette tranche de redshift. Ceci est particulièrement important, car c'est justement à cette epoque que l'effet de l'énergie sombre sur les structures cosmiques est dominant. On pourra tester divers modèles d'énergie sombre plus ou moins 'exotiques'.

Ce projet fait partie des thèmes sélectionnés pour le Red Book d'ATHENA. Les résultats feront l'objet d'un article qui sera publié dans un numéro spécial d'Astronomy & Astrophysics, dédié à ATHENA.

Conditions du stage:
Tous les logiciels sont disponibles (simulation et traitement d'images X, analyse cosmologique).
La bibliothèque de programmes est en langage python.
Les calculs sont effectués à distance au Centre de Calcul de l’IN2P3 à Lyon.
Context:
The proposed work is a follow-up of the XMM-XXL survey (http://irfu.cea.fr/xxl).
The main goal ist to extract cosmological parameters, in a self-consistent way, from a survey of X-ray clusters of galaxies. Observations are obtained by the ESA XMM-observatory.
The principle relies on the fact that the number of clusters formed as a function of time, critically depends on the Dark Matter and Dark Energy properties (the latter causing the expansion to accelerate - Nobel prize 2011). X-ray observations provide information on the mass and on the distance of clusters.
ATHENA is the successor of XMM and is the 2nd Large Mission selected in the context of the ESA Cosmic Vision programme. It will be launched at the beginning of the 2030 and will be much more sensitive than XMM.

Goal of the internship:
The goal is to perform and analyse simulations of an X-ray sky survey by ATHENA (WFI instrument). First step will be to detect the galaxy clusters and then, to extract the cosmological information from the cluster population.
The subsequent cosmological analysis will be performed by means of an innovative method (ASpiX), based on a forward modeling, which enables the monitoring of many systematic uncertainties.
While the EUCLID mission (optical+infrared) will provide very accurate constraints on the cosmology, these will mainly come form the z=0-1 range (for clusters). With ATHENA, in X-rays, it will possible to systematically probe for the first time a huge volume of the universe at z=1-2, hence, to inventory the cluster population at this cosmic epoch. This is especially important, since the effect of Dark Energy on structure formation is expected to be dominant at this time. We shall test various, more of less conventional, cosmological models.
This project is part of the topics selected for the ATHENA Red Book. The results to be obtained during the internship will be included in an article, which will be published in a special issue of Astronomy and Astrophysics.

Working environment:
All computer programmes are available (X-ray image simulation and processing, cosmological analysis).
The programming language is Python.
The computation are performed at the IN2P3 Computer Center in Lyon.
Mots clés/Keywords
cosmologie - amas de galaxies - observations en rayons X
cosmology - clusters of galaxies - X-ray observations
Compétences/Skills
Simulations et traitement d'image Modélisation cosmologique Méthodes de minimisation MCMC
Image simulation and processing Cosmological modelling MCMC solving methods
Logiciels
Python

 

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