7 sujets IRFU/DAp

Dernière mise à jour : 22-11-2018


• Astroparticules

• Astrophysique

• Mathématiques - Analyse numérique - Simulation

 

Mesure des paramètres cosmologiques avec les ondes gravitationnelles et l'agglomération des galaxies: Synergie entre LISA et Euclid

SL-DRF-19-0429

Domaine de recherche : Astroparticules
Laboratoire d'accueil :

Direction d'Astrophysique (DAP)

Laboratoire CosmoStat (LCS)

Saclay

Contact :

Martin Kilbinger

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2019

Contact :

Martin Kilbinger

CEA - DRF/Irfu/SAp/LCS

01 69 08 17 53

Directeur de thèse :

Martin Kilbinger

CEA - DRF/Irfu/SAp/LCS

01 69 08 17 53

Page perso : http://www.cosmostat.org/people/kilbinger

Labo : http://www.cosmostat.org

Cette thèse explorera le potentiel des ondes gravitationnelles (OG) aux distances cosmologiques comme "sirènes standards", dans le but de mesurer l'histoire de l'expansion de l'Univers. Puisque la plupart des OG de la fusion des trous noirs n'est pas associée à une contrepartie électromagnétique, nous devons estimer le redshift de la galaxie hôte de l'OG d'une façon statistique. Enfin, nous proposons d'utiliser des larges relevés profonds photométriques de galaxies. Ces données aideront à réduire la magnification de la distance lumineuse par l'effet de lentille faible.



Pour l'analyse du diagramme de Hubble, nous visons à comprendre et modéliser l'incertitude de distance lumineuse (génération et propagation du signal), les erreurs de redshift (en utilisant les données photométriques et clustering), et l'inférence des paramètres, qui sera abordé par du forward-modelling et des méthodes sans vraisemblance, pour tenir en compte la non-Gaussianité des données.

Développement d’un code à maillage adaptatif pour le passage à l’exascale et applications astrophysiques

SL-DRF-19-0501

Domaine de recherche : Astrophysique
Laboratoire d'accueil :

Direction d'Astrophysique (DAP)

Laboratoire de modélisation des plasmas astrophysiques (LMPA)

Saclay

Contact :

Patrick Hennebelle

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-09-2019

Contact :

Patrick Hennebelle

CEA - DSM/IRFU/SAp

0169089987

Directeur de thèse :

Patrick Hennebelle

CEA - DSM/IRFU/SAp

0169089987

Le calcul numérique qui est devenu un outil scientifique incontournable est en passe de subir une importante transformation avec le passage à l’exascale, c’est à dire le développement de super-calculateurs cent fois plus puissants que ceux disponibles aujourd’hui, tout en conservant une enveloppe énergique du même ordre de grandeur qu’aujourd’hui. Pendant de nombreuses années, les évolutions matérielles des architectures de calcul ont été motivées pour optimiser les performances des applications en simulation numérique auxquelles s’ajoutent aujourd’hui les besoins des applications de l’intelligence articifielle. On constate que les dernières générations de processeurs graphiques (GPU) sont spécifiquement conçues pour accélérer les opérations tensorielles au cœur des algorithmes des réseaux de neurones convolutifs. Le passage à l’exascale engendre des modifications profondes de la structure des supercalculateurs, comme en témoigne la grande diversité des architectures existantes : processeurs multi-coeurs avec instructions vectorielles, processeurs multi-coeurs légers, GPU en allant jusqu’aux processeurs reconfigurables (FPGA) difficiles à programmer mais très efficaces énergétiquement. Cette mutation vers l’exascale nécessite une adaptation, voire une ré-écriture complète des codes de calcul existants et souligne également la problématique majeure de la portabilité des logiciels, c’est-à-dire l’élaboration de solutions permettant de tirer les meilleures performances sur la majorité des architectures existantes en limitant le travail de ré-écriture des codes en passant d'une architecture à une autre.





Les enjeux scientifiques associés pour la communauté astrophysique sont majeurs, en particulier en regard de la formation des planètes et des étoiles. A cet égard, le problème sera particulièrement complexe pour les codes à maillage adaptatif (AMR) dont l’emploi est nécessaire lorsque le problème étudié possède une grande gamme d’échelles spatiales et temporelles comme c’est le cas dans un grand nombre de domaines. Depuis plusieurs années, la maison de la simulation a anticipé ce défi en conduisant le développement d’un tel code en collaboration avec plusieurs communautés (mathématiques appliquées, dynamique des fluides numérique et astrophysique). Basé sur une bibliothèque moderne de gestion de maillage AMR en mémoire distribuée, p4est, le code CanoP permet d’ores et déjà de réaliser des simulations hydrodynamiques, voire magnéto-hydrodynamiques, en prenant en compte l’auto-gravité et les processus de chauffage et de refroidissement. Cependant, si CanoP résout donc déjà certains des processus importants, plusieurs développements restent encore à conduire afin de le rendre pleinement opérationnel. Ainsi le développement de pas de temps multiples, c’est-à-dire la possibilité de calculer de manière plus fréquente uniquement l’avancement des cellules de plus petite taille, réduisant ainsi le temps de calcul, est un aspect essentiel des codes AMR. Un autre aspect fondamental pour les applications astrophysiques est le développement de particules Lagrangiennes interagissant avec les champs décrits par le maillage (densité, vitesse, gravité…). Une fois que ces deux aspects seront mis en place, un très grand nombre d’applications d’astrophysique pourront être traitées permettant un vaste usage de ce code.



L’objectif de la thèse sera le développement de ces deux aspects (pas de temps adaptatifs et particules Lagrangiennes) qui seront réalisés pour, et motivés par, l’étude de deux problèmes astrophysiques importants : d’une part l’étude des disques protoplanétaires auto-gravitants et d’autre part la formation des amas d’étoiles par fragmentation de nuages de gaz moléculaire massifs. Ces deux problèmes sont en effet présentement limités par la puissance de calcul disponible.

Les disques protoplanétaires jouent un rôle crucial car c’est en leurs seins que se forment les planètes. Or la question du transport du moment cinétique est toujours mal comprise. Une possibilité est que ce transport soit assuré par la gravité elle-même. Or la plupart des études se sont focalisées sur des disques auto-régulés, c’est à dire chauffés par la dissipation de l’énergie cinétique résultant du transport du moment cinétique. Néanmoins l’étoile centrale assure un chauffage important possiblement dominant dans beaucoup de circonstances sur le chauffage visqueux de sorte que les disques ne sont pas nécessairement auto-régulés. C’est ce régime qui sera étudié.

La formation des amas d’étoiles est régie par l’action conjointe de la turbulence supersonique et de la gravité. C’est un problème qui revêt une grande importance car c’est notamment à ce stade qu’est déterminée la fonction initiale de masse des étoiles qui joue un rôle fondamental dans notre univers.

La réalisation de très grosses simulations, rendues possibles par le développement d’un code AMR moderne, conduira à des avancées substantielles pour la formation des planètes et des étoiles. De surcroît les développements réalisés et l’expérience acquise, seront également utiles aux autres champs de recherche qui utiliseront CanoP. L’étudiant partagera son temps de manière équilibrée entre les développements numériques fondamentaux et les deux applications astrophysiques.

Gaz interstellaire sombre et Bulles de Fermi

SL-DRF-19-0264

Domaine de recherche : Astrophysique
Laboratoire d'accueil :

Direction d'Astrophysique (DAP)

Laboratoire d'Etudes des Phénomènes Cosmiques de Haute Energie (LEPCHE)

Saclay

Contact :

Isabelle GRENIER

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-09-2019

Contact :

Isabelle GRENIER

Université Paris Diderot - DSM/IRFU/SAp/LEPCHE

01 69 08 44 00

Directeur de thèse :

Isabelle GRENIER

Université Paris Diderot - DSM/IRFU/SAp/LEPCHE

01 69 08 44 00

Page perso : https://www.nasa.gov/mission_pages/GLAST/team/bio_grenier.html

Labo : irfu.cea.fr/dap/

De grandes quantités de gaz échappent, faute d’émission, à l’inventaire du milieu interstellaire [1]. Ce gaz sombre se concentre à l’interface entre les phases atomiques et moléculaires des nuages. Il joue un rôle déterminant dans le cycle interstellaire et il nous informe sur la capacité des grands réservoirs de gaz atomique des galaxies à produire des nuages moléculaires pour former des étoiles. Or on ignore presque tout de la composition, de l’état et de l’abondance du gaz sombre, et comment ces propriétés varient à l’échelle d’une galaxie. Trouver des moyens directs d’observation et caractériser cette phase interstellaire sont donc deux objectifs majeurs pour comprendre les écosystèmes galactiques.

On révèle indirectement le gaz sombre en couplant les observations des poussières qu’il contient et des rayons cosmiques qui le sillonnent et rayonnent en gamma. Le but proposé pour la thèse est d’exploiter les données gamma de Fermi et de multiples traceurs interstellaires (Planck, WMAP, Gaia, nouveaux relevés radio et mm) pour étudier le plus grand complexe de gaz sombre du voisinage solaire. Les analyses permettront de quantifier le contenu en gaz visible et sombre des nuages, de suivre la pénétration des rayons cosmiques dans les phases denses et de caractériser l’évolution des propriétés des poussières d’une phase à l’autre. Ce dernier point est essentiel pour ouvrir la voie à des études Galactiques et extragalactiques fiables du gaz sombre en ne s’appuyant que sur l’émission des poussières.

L’étude devra relever le défi de séparer l’émission gamma interstellaire de celle des Bulles de Fermi (grands jets de particules de haute énergie expulsés des régions centrales de la Galaxie) en développant une méthode de séparation de composante multi-spectrale.

L’étudiant(e) pourra également participer au projet de ballon sub-millimétrique co-PILOT du CNES, prévu pour 2020 pour rechercher des signatures de recombinaison de C+ dans le gaz sombre local.

Le travail s’effectuera au sein de la Collaboration internationale Fermi et profitera de nombreux échanges avec des experts interstellaires en France (à l’ENS et l’IRAM), aux Etats-Unis (Alma, Stanford), en Australie (SKA-GASKAP) et en Chine (FAST). L’étudiant(e) participera en début de thèse au mois d’atelier international sur le gaz sombre qui se tiendra à l’Institut Pascal de l’Université Paris-Saclay.

[1] Grenier et al., 2005, Science 307, 1292

Les environnements à l'origine des sursauts gamma longs : une préparation à la mission SVOM

SL-DRF-19-0281

Domaine de recherche : Astrophysique
Laboratoire d'accueil :

Direction d'Astrophysique (DAP)

Laboratoire de Cosmologie et d'Evolution des Galaxies (LCEG)

Saclay

Contact :

EMERIC LE FLOC'H

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2019

Contact :

EMERIC LE FLOC'H

CEA - DSM/IRFU/SAp/LCEG

0169088235

Directeur de thèse :

EMERIC LE FLOC'H

CEA - DSM/IRFU/SAp/LCEG

0169088235

Page perso : http://irfu.cea.fr/Pisp/emeric.le-floch/

Labo : http://irfu.cea.fr/dap/en/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_groupe.php?id_groupe=977

Les sursauts gamma provenant de la mort d'étoiles massives constituent un formidable outil pour sonder l'Univers distant et la formation stellaire dans les galaxies lointaines. Cependant, de nombreuses questions persistent sur la nature des environnements favorisant l'apparition de tels phénomènes, notamment sur les différences qu’ils présentent par rapport à l'ensemble des galaxies responsables de la formation stellaire au cours de l'histoire cosmique. Nous apporterons un nouvel éclairage sur ces questions en analysant des observations de galaxies-hôtes de sursaut gamma à grand décalage cosmologique, obtenues à haute résolution angulaire d’une part dans l’infrarouge proche avec le télescope spatial Hubble, d’autre part avec l’interféromètre millimétrique ALMA installé au Chili. Ces données nous permettront de contraindre la morphologie de ces galaxies, leur densité surfacique de formation d’étoiles, ainsi que leur contenu en poussières et en gaz moléculaire. Par ailleurs, nous établirons également des prédictions sur la distribution des extinctions du milieu interstellaire des galaxies lointaines telles qu’elles pourront être mesurées via les sursauts gamma qui seront détectés par le futur satellite SVOM. Le sujet proposé ici s’inscrit dans le contexte de l'avènement de l'astrophysique du ciel transitoire attendu pour la prochaine décennie, et nous permettra en particulier de mieux appréhender la pertinence de l’utilisation des sursauts gamma comme traceurs d’étoiles massives à l’échelle de la formation des structures cosmologiques.



Recherche de sursauts gamma avec CTA

SL-DRF-19-0326

Domaine de recherche : Astrophysique
Laboratoire d'accueil :

Direction d'Astrophysique (DAP)

Laboratoire d'Etudes des Phénomènes Cosmiques de Haute Energie (LEPCHE)

Saclay

Contact :

Thierry STOLARCZYK

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-09-2019

Contact :

Thierry STOLARCZYK

CEA - DRF/IRFU/DAp/LEPCHE

+33 1 69 08 78 12

Directeur de thèse :

Thierry STOLARCZYK

CEA - DRF/IRFU/DAp/LEPCHE

+33 1 69 08 78 12

Page perso : http://irfu.cea.fr/Pisp/thierry.stolarczyk/

Labo : http://irfu.cea.fr/dap/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_technique.php?id_ast=3709

Voir aussi : https://www.cta-observatory.org/

L’observatoire CTA est sur le point de transformer notre vision du ciel à très haute énergie grâce à des performances dix fois supérieures à celles des instruments existants et à des capacités inédites pour l’étude des phénomènes transitoires. L’objectif de la thèse est d’étudier l’influence du fond diffus de lumière extragalactique sur la détectabilité des sursauts gamma, et de contribuer à optimiser les performances de détection en temps réel de ces sursauts et ainsi que d’éventuelles contreparties aux ondes gravitationnelles. Le travail de recherche contribuera au développement de la chaîne de traitement des données et aux outils d’analyse scientifique de CTA, et exploitera les premières données de l’observatoire.

The role of gas and star formation inside the first forming galaxy structures

SL-DRF-19-0046

Domaine de recherche : Astrophysique
Laboratoire d'accueil :

Direction d'Astrophysique (DAP)

Laboratoire de Cosmologie et d'Evolution des Galaxies (LCEG)

Saclay

Contact :

Emanuele DADDI

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2018

Contact :

Emanuele DADDI

CEA - DRF/IRFU/SAp

Directeur de thèse :

Emanuele DADDI

CEA - DRF/IRFU/SAp

At redshifts of z=2 to 3, the epoch of the peak star formation and black hole activity in the Universe, the first giant dark matter halos were also growing very rapidly, and baryons falling into their deep potential wells induced prodigiously vigorous activity leading to the major phases of galaxy and black hole assembly, often hidden by dust. These early phases for the evolution of galaxies are expected to be crucial to lead to the formation of their dominant early type galaxy population (via quenching mechanisms still poorly understood) and well relaxed hot gas atmospheres, as observed in local massive galaxy clusters (via some sort of yet unknown feedback between galaxies and the hot gas, leading to energy and entropy injection affecting its thermodynamic evolution). The overall physical processes relevant for galaxies and structures evolution in the first forming clusters are still largely poorly mapped, and yet not well understood. But increasing interest and efforts in the community coupled with emerging observational results and prospects for future mission (e.g., JWST, Euclid and Athena) make this research field one of the most hot and promising in the current domain of galaxies and structure formation. I propose a PhD thesis in Saclay in this research field, based on new observations with ALMA, NOEMA, Herschel, HST and Keck of two dense structures discovered by our research groups at z=2 and 2.5 (Gobat et al 2011; 2013; Wang et al 2016) and a new forming cluster found at z=2.91. The student will be responsible of the final reduction, analysis and interpretation of a substantial amount of data we obtained

with the new and revolutionary Keck Cosmic Web Imager, allowing for the first time 3D spectroscopy in the blue over large fields, down to wavelengths not accessible to the MUSE instrument at the VLT. These Keck data have revealed giant clouds of cold gas extending over 100kpc or more at the cluster cores, detected from their Lya emission. The high level goal of the thesis will be to observationally characterise and understand the nature, origin and fate of these giant reservoirs of cold gas. This will be done in particular in connection with galaxy activity present in the clusters, that will be probed by HST multicolour imaging (to reveal morphologies, stellar populations and merging rates possibly connected to galaxy stripping and production of inter cluster material) and with NOEMA, ALMA and Herschel (to study gas reservoirs, star formation hidden by dust and the state of the interstellar medium). The cold gas might eventually result to be a first convincing smoking gun of cold flow accretion to massive dark matter halos required by theory to justify the vigorous galaxy activity present at high redshift. Such smoking gun has long been sought observationally at high redshifts but never convincingly detected yet. Possible evidences leading to this could be connected with the morphology of the Lya gas, large kinematics and metal enrichment, that we will be able to investigate with existing data and with future observations. The student will be, in fact, involved during the PhD in a vigorous effort of proposing for Keck, VLT and ALMA/NOEMA time, to foster this science, with a resulting expertise in all aspects of observational astronomy, including experience with dealing with truly multi-wavelength datasets.

Transport Optimal et Deep Learning pour la modélisation de la réponse instrumentale du télescope spatial Euclid

SL-DRF-19-0010

Domaine de recherche : Mathématiques - Analyse numérique - Simulation
Laboratoire d'accueil :

Direction d'Astrophysique (DAP)

Laboratoire CosmoStat (LCS)

Saclay

Contact :

Jean-Luc STARCK

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2019

Contact :

Jean-Luc STARCK

CEA - DSM/IRFU/SAp/LCS

01 69 08 57 64

Directeur de thèse :

Jean-Luc STARCK

CEA - DSM/IRFU/SAp/LCS

01 69 08 57 64

Page perso : http://jstarck.cosmostat.org

Labo : http://www.cosmostat.org

Le projet spatial Euclid, dont le lancement est prévu en 2020, observera le ciel en optique et en infrarouge et permettra de construire des cartes de très grandes échelles afin mesurer les distorsions gravitationnelles jusqu’à des redshifts très élevés. Grâce à ces mesures de cisaillement (shear) gravitationnel, nous pourrons reconstruire des cartes de matières noires de 15000 degrés carrés, soit presque la moitié du ciel. Ces mesures de shear sont dérivées de l’analyse des formes de galaxies, qui sont floutées dues l’optique du télescope. L’un des problèmes majeurs pour atteindre les objectifs scientifiques est donc la nécessité de modéliser la fonction d'étalement du point (Point Spread Function (PSF) en anglais) du satellite, et de mesurer la forme des galaxies avec une très grande précision et corrigée de la PSF. Le champ de PSF peut être calculé à partir des étoiles contenues dans les images observées. Il doit prendre en compte la variation spatiale et spectrale de la réponse de l’instrument. Une difficulté supplémentaire vient du problème de sous échantillonnage des images.

Nous avons récemment montré (Schmitz et al 2018) que les techniques de transport optimal (OT) nous permettent de bien modéliser la variation de la PSF avec la longueur d’onde et des travaux en cours (Schmitz et al 2018) consistent à construire une modélisation tridimensionnelle de la PSF, qui tient en compte à la fois de la variation spatiale de la PSF et de sa dépendance à la longueur d’onde. Si le transport optimal permet d’obtenir de très beaux résultats, son utilité est limitée en pratique, pour des raisons de temps de calcul trop importants dans le cas de grands volumes de données comme ceux liés au projet Euclid.

Le but de cette thèse est de trouver une solution efficace pour construire un tel modèle tridimensionnelle de PSF. Une solution pourrait être d’utiliser la technique Deep Wasserstein Embedding (Courty, Flamary and Ducoffe, 2017) afin d’obtenir une approximation de la solution, mais avec une complexité bien meilleure. La seconde étape sera d’interpoler, à partir des PSFs 3D reconstruites aux positions des étoiles dans le champ, la PSF à n’importe quelle position spatiale. Ceci se fera en étendant à la troisième dimension l’interpolation 2D basée sur Graph Laplacian (Schmitz, Starck and Ngole, 2018), qui permet d’effectuer l’interpolation sur la variété adéquate. La dernière étape sera de quantifier l’erreur de modélisation en étudiant à partir de simulation la propagation de ces erreurs de reconstruction sur l’estimation des paramètres cosmologiques.

 

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