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Asterosismologie et machine learning pour l'evolution stellaire avec Kepler/K2 et TESS
Asterseismology and machine learning for stellar evolution with Kepler/K2 and TESS

Spécialité

Astrophysique

Niveau d'étude

Bac+4/5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

04-03-2019

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

GARCIA Rafael A.
+33 1 69 08 27 25

Résumé/Summary

Nous disposons actuellement de milliers observations d’étoiles par la mission NASA K2 qui n’ont jamais pu être étudiées en detail. De plus, des observations de dizaines de milliers d'étoiles par la mission NASA TESS seront disponibles au debut du stage. Le but de ce stage est de mettre en place une méthode d’analyse automatique de ces données reposant sur l’intelligence artificielle et l'asterosismologie.

Sujet détaillé/Full description

La precision obtenue observationnellement sur les paramètres physiques des étoiles de type solaire (comme la masse ou le rayon) a un très grand impact sur les résultats de toute etude numérique visant a modéliser l'evolution des étoiles. Nous obtenons grace a l’asterosismologie les estimations les plus précises des paramètres fondamentaux de nombreuses étoiles. Cependant, la sismologie ne s’applique que sur une quantité limitée d’étoiles observées avec une resolution frequentielle suffisante et un niveau de bruit raisonnable par les satellites CoRoT, Kepler et TESS. Pour les autres, la spectroscopie donne les meilleurs résultats qui pourtant ne sont pas suffisant pour contraindre au mieux les modèles d’evolution stellaire. Nous disposons actuellement de milliers observations d’étoiles par la mission NASA K2 qui n’ont jamais pu être étudiées en detail. Le but de ce stage est de mettre en place une méthode d’analyse automatique de ces données reposant sur l’intelligence artificielle. En entrainant l’algorithme sur les données précises d’asterosismologie des meilleures étoiles, les autres étoiles pourront être tout d'abord classifies et ensuite caractérisées avec une precision surpassant les etudes spectroscopiques.
Ce sujet de stage combine asterosismologie classique et méthodes "intelligentes". Il s’inscrit dans le cadre de l’arrivée de très (trop!) nombreuses observations par les missions K2 et TESS qui ne pourront être analyses individuellement efficacement qu’après un premier filtrage automatique. Aucune connaissance en machine learning n’est requise, mais il est conseillé de suivre les modules de physique stellaire.
Une partie de cet stage peut se dérouler à l'Institut d'Astrophysique des Canaries (IAC) dans le cadre de la collaboration en physique stellaire entre les deux laboratoires.
Le stage sera co-encadre par Mme Lisa Bugnet pour les aspect de "machine learning".

Mots clés/Keywords

Asterosismologie, Physique stellaire, Traitement numérique, Machine learning

Compétences/Skills

Des outils de sismologie stellaire, algorithmes de machine learning (Random Forest, etc) Données des missions spatiales Kepler/K2 et TESS

Logiciels

Python, IDL
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Caractérisation des propriétés de luminescence du CdZnTe par différentes sources d’excitation pour les détecteurs infrarouge utilisés en astrophysique

Spécialité

CHIMIE

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

21-05-2019

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

non

Contact

Mouzali Salima
+33 1 69 08 63 55

Résumé/Summary

Sujet détaillé/Full description

Dans le domaine infrarouge (IR), les détecteurs de photons les plus utilisés en astrophysique sont les détecteurs matriciels composés d’un matériau absorbant de HgCdTe, sur un substrat de CdZnTe.


La fabrication de ce type de détecteurs est une compétence mondialement reconnue du CEA-Leti (Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information) à Grenoble. Le Département d’Astrophysique (DAp) du CEA/IRFU est lui-même une référence historique dans le domaine de l’instrumentation spatiale et la caractérisation de détecteurs. Depuis 2010, une collaboration s’est établie entre le Leti et le DAp pour développer et caractériser des détecteurs IR pour l’astrophysique et le spatial [1]. Cette collaboration s’inscrit dans le cadre plus général de la mise en place par l’Europe d’une filière industrielle pour l’approvisionnement de ce type de détecteurs, dans le but de remplacer les détecteurs américains actuellement utilisés pour les systèmes d’observation sol et spatial. En effet, l’Europe, à travers la commission européenne et l’Agence Spatiale Européenne (ESA), finance via deux projets (le projet Astronomy Format Array, ALFA [2] et le projet Astronomy European Infrared Detector, ASTEROID [3]) le développement et l’industrialisation de détecteurs IR HgCdTe pour l’astrophysique.
Lors de la phase de qualification spatiale de ces composants, il deviendra primordial d’évaluer l’impact de l’environnement spatial sur ces détecteurs. Une fois dans l’espace un détecteur est soumis à un flux de particules (principalement des protons) émis par le rayonnement cosmique et le vent solaire. En déposant leur énergie dans le substrat, ces particules génèrent notamment une luminescence qui est détectée par la couche de HgCdTe. Ainsi, les images sont polluées par ce signal parasite qui s’ajoute au signal photonique utile [4]–[6]. Le retrait complet du substrat de CdZnTe résout radicalement le problème mais dégrade les performances du détecteur. Une solution serait d’amincir partiellement le substrat de CdZnTe. Afin d’estimer par modélisation l’épaisseur résiduelle de CdZnTe acceptable, il est essentiel de bien connaître les propriétés de luminescence de ce matériau.
Le CdZnTe est un matériau semi-conducteur II-VI. Cet alliage est largement utilisé comme substrat dans la fabrication des détecteurs IR HgCdTe, assurant ainsi un bon accord de maille avec la couche détectrice. Malheureusement, le CdZnTe présente de nombreux défauts natifs (inclusion, lacunes, …) auxquels s’ajoute la présence d’impuretés qui dépend fortement des conditions de croissance. De fait, pour modéliser la réponse des détecteurs sous flux de protons, il est essentiel de bien connaître le substrat utilisé par le LETI pour la croissance de la couche sensitive de HgCdTe. A ce titre, des spectres de luminescence obtenue par excitation de photons X (à 300K) et par excitation laser (de 4K à 300K) ont été très récemment obtenus sur des échantillons de CdZnTe.
Travail durant le stage :
L’objectif est de traiter et d’analyser les données issues des mesures de luminescence. Il s’agira ensuite d’interpréter physiquement les différents spectres de luminescence afin d’identifier les types d’impuretés présents dans le matériau ainsi que leur comportement en fonction de la température. Cette interprétation s’appuiera sur une recherche bibliographique approfondie.
Le stagiaire participera également à une campagne de mesure de cathodoluminescence sur des échantillons de CdZnTe afin de compléter l’étude des propriétés de luminescence du CdZnTe. A terme, une comparaison des résultats issus des différentes méthodes d’excitation sera effectuée afin de pouvoir conclure sur le comportement du matériau CdZnTe en termes de luminescence.
Cette étude s’inscrit dans le cadre des projets européens ASTEROID et ALFA, pour lesquels la compréhension des données de luminescence est une étape clef en vue de la spatialisation des détecteurs IR HgCdTe.


[1] O. Boulade et al., “Development activities on NIR large format MCT detectors for astrophysics and space science at CEA and SOFRADIR,” vol. 33, no. 0, p. 99150C, 2016.
[2] B. Fièque et al., “Development of astronomy large focal plane array ‘ALFA’ at Sofradir and CEA,” High Energy, Opt. Infrared Detect. Astron. VIII, vol. 1070905, no. July, p. 5, 2018.
[3] “https://asteroidh2020.eu.” .
[4] A. Waczynski et al., “Radiation induced luminescence of the CdZnTe substrate in HgCdTe detectors for WFC3,” vol. 5902, p. 59020P, 2005.
[5] R. Smith et al., “Noise and zero point drift in 1.7?m cutoff detectors for SNAP,” p. 62760R, 2006.
[6] M. L. Dorn et al., “Proton irradiation results for long-wave HgCdTe infrared detector arrays for Near-Earth Object Camera,” J. Astron. Telesc. Instruments, Syst., vol. 2, no. 3, p. 036002, 2016.

Mots clés/Keywords

physique, semi-conducteur, optoélectronique, traitement du signal
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Études en cosmologie avec les ondes gravitationnelles et l'agglomération des galaxies
Cosmology with gravitational waves and galaxy clustering

Spécialité

Astrophysique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

28-02-2019

Durée

5 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

Kilbinger Martin
+33 1 69 08 17 53

Résumé/Summary

The topic of this stage is the study of gravitational waves (GW) as "standard sirens" for cosmology. Galaxy clustering together with machine learning will be used to statistically infer the redshift of the unknown GW host galaxy for the majority of GW events without electromagnetic counterpart.
Ce stage a comme but l'étude les ondes gravitationnelles (OG) comme des "sirènes standard" en cosmologie. L'agglomération des galaxies et l'apprentissage automatique sera utilisée à mesurer le décalage vers le rouge de la galaxie hôte de l'OG en absence de contrepartie electro-magnétique.

Sujet détaillé/Full description

Voir version anglaise.
The recent direct detections of gravitational waves (GW) from mergers of massive compact objects has opened a new window to our Universe. The GW signal allows us to measure the luminosity distance to the merger, from which we can constrain the expansion history of the Universe, including the Hubble constant $H_0$ and dark-energy properties. However, most GW events are expected to have no detectable electro-magnetic counterpart. We thus have to employ statistical analyses to use these events in a cosmological context. The
spatial distribution of galaxies, or galaxy clustering, can help us to infer the redshift of a population of events in a statistical way.

Work to date has focused on spectroscopic galaxies. By extending this to galaxy surveys in broad-band photometry the number and limiting magnitude of available galaxies for clustering analysis can be vastly increased. The challenge in this approach is the determination of precise redshifts.

This project aims to estimate the impact of redshift estimation on the clustering analysis of GW events for cosmological parameter inference. Forecasts will be done for current ground-based data coming from LIGO/VIRGO\footnote{\url{https://www.ligo.org/}} for GW, and optical galaxy surveys such as CFIS (http://www.cfht.hawaii.edu/Science/CFIS), as well as for the future space mission LISA (https://lsst.org) and Euclid (https://www.euclid-ec.org).

The tasks and objectives of the internship are as follows.

1. Get familiar with the statistical analysis of GW events, and redshift estimation of photometric surveys.
2. Apply and compare different methods of redshift estimation that are developped in the CosmoStat group.
3. Estimate the impact of redshift errors on cosmological analysis of current and future data.

Compétences/Skills

During the stage, the student will work on various methods of galaxy redshift estimation. This includes photometric redshifts, clustering redshift, and machine learning techniques.

Logiciels

python, C, C++.
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Sonder l’Univers avec les sursauts gamma observables par CTA
Probing the Universe with gamma-ray bursts in CTA

Spécialité

Astrophysique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

01-06-2019

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

STOLARCZYK Thierry
+33 1 69 08 78 12

Résumé/Summary

Le but du stage est d’étudier comment la détection de sursauts gammas par CTA peut permettre de différencier les modèles de fond diffus de lumière extragalactique responsable de l’absorption des rayons gamma à très haute énergie.
The goal of the internship is to study how the detection of gamma-ray bursts with CTA can help to discriminate the models of extragalactic background light, a component responsible of the absorption of gamma rays at very high energy.

Sujet détaillé/Full description

Un sursaut gamma (GRB pour Gamma Ray Burst) peut émettre en quelques dizaines de secondes autant d’énergie qu’une étoile pendant toute sa durée de vie, puis émettre pendant des semaines ou des mois un signal dont l’intensité et l’énergie décroissent au fil du temps, passant progressivement des X à la radio. Parmi les milliers de GRB observés partout dans le ciel et à des distances cosmologiques, une trentaine d’entre eux seulement ont été détectés au-delà du GeV en raison des limitations instrumentales.
L’observatoire CTA (Cherenkov Telescope Array), en cours de construction, observera le ciel entre 20 GeV et plus de 100 TeV grâce à une centaine de télescopes installés sur deux sites, Iles Canaries et Chili, avec une sensibilité bien supérieure aux instruments existants. Certains de ces télescopes pourront s’orienter en 20 secondes dans la direction d’une alerte « GRB » reçue d’autres observatoires dans l’espoir d’observer une contrepartie à haute énergie.
Au-delà du MeV les rayons gamma peuvent être absorbés en interagissant sur le fond diffus de lumière extragalactique (Extragalactic Background Light, EBL), constitué du rayonnement visible et infrarouge émis par les astres au cours des temps cosmologiques. Cette absorption induit une coupure en énergie allant du TeV à quelques dizaines de GeV pour les sources les plus lointaines. Elle limite la détectabilité à grande distance et peut masquer une coupure intrinsèque liée au mécanisme à l’origine du sursaut. En revanche elle garde la trace du flux diffus traversé et peut apporter des contraintes sur le contenu et l’évolution de l’Univers.
Le but du stage est d’évaluer les capacités à différencier les modèles théoriques d’EBL à partir des spectres en énergies des sursauts gamma détectables par CTA. Le signal observable sera obtenu de l’extrapolation de courbes de lumières détectées à plus basse énergie ou en s’appuyant sur des modèles. La réponse du détecteur sera simulée à partir des outils scientifiques de CTA.
Le stage se déroulera au sein du groupe CTA du département d’astrophysique de l’Irfu (CEA Paris-Saclay, Orme des merisiers). Il est susceptible d’être suivi d’une thèse sur la détection en temps réel des sursauts gamma dans CTA.
A gamma-ray burst can emit the energy of a star during its lifetime within a few tens of seconds, and then emit during weeks or months a signal of intensity and energy decreasing with time, spanning wavelengths from X-rays to radio. Among the thousands of GRB observed on the whole sky at cosmological distances, about thirty only have been detected above GeV, mainly because of instrumental limitations.
The CTA observatory (Cherenkov Telescope Array) is being constructed and will observe the sky between 20 GeV and more than 100 TeV thanks to more than a hundred of telescopes installed on two sites, Canary Islands and Chile, with a sensitivity exceeding by far the possibilities offered by the current instruments. Some telescopes will be able to repoint in less than 20 seconds toward the direction given by a “GRB” alert received from another observatory, with the hope to detect a high-energy counterpart.
Above one MeV, gamma rays can be absorbed when interacting on the extragalactic background light (EBL), a diffuse flux consisting of the infrared and optical stellar radiations emitted through the cosmological ages. This absorption induces an energy cut from several TeV to a few tens of GeV for the most distant sources. It limits the detectability at large distances and can hide an intrinsic cut related to the GRB internal mechanisms. In contrast, it keeps track of the diffuse flux crossed by the gamma rays and can bring constraints on the content and evolution of the Universe.
The goal of the internship is to evaluate the capabilities to discriminate the EBL theoretical models from the GRB energy spectra detectable by CTA. The observable signal will be obtained from the extrapolation of light curves obtained at lower energies, or from theoretical models. The detector response will be simulated with the CTA Science tools.
The internship will be hosted by the CTA group at the Irfu astrophysics department (CEA Paris-Saclay, Orme des Merisiers). It can be connected to a PhD thesis on the real-time detection of GRB in CTA.

Mots clés/Keywords

sursauts gamma, CTA, simulation, analyse de données, fond diffus extragalactique
gamma ray bursts, CTA, simulation, data analysis, Extragalactic background light

Compétences/Skills

Simulation, analyse de données
Simulation, data analysis

Logiciels

Python

 

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