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Étude de la variabilité spectro-temporelle du noyaux actif de galaxie PKS 2155-304
Study of the spectro-temporal variability of the PKS 2155-304 active galactic nucleus

Spécialité

Astrophysique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

08/05/2020

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

BRUN François
+33 1 69 08 32 47

Résumé/Summary
Le but du stage est de développer une nouvelle méthode d'analyse de données pour caractériser la variabilité simultanée temporelle et spectrale du noyaux actif de galaxie PKS 2155-304 vue par le réseau H.E.S.S. de télescopes Cherenkov.
The goal of the internship is to develop a new data analysis method to characterize the simultaneous temporal and spectral variability of the active galaxy nucleus PKS 2155-304 as seen by the H.E.S.S. array of Cherenkov telescopes.
Sujet détaillé/Full description
H.E.S.S. est un réseau de télescopes Tcherenkov pour l’astronomie gamma de très haute énergie situé en Namibie. Cet instrument détecte des photons gamma d'énergie supérieure à quelques dizaines de GeV et permet d'étudier les processus d’accélération au sein d’objets aussi variés que les vestiges de supernova ou les noyaux actifs de galaxies. Par ce biais, H.E.S.S. vise notamment à répondre à la question centennaire de l'origine des rayons cosmiques.

Dans cette optique, les phénomènes transitoires sont particulièrement intéressants. L'étude des émissions variables (transitoires ou périodiques), que ce soit en direction du Centre Galactique ou de noyaux actifs de galaxies (AGN) lointains permet de mieux comprendre les processus d'émissions à l'œuvre au sein de ces sources, de caractériser le milieu dans lequel les photons se propagent mais également de tester la validité de certaines lois physiques fondamentales comme l’invariance de Lorentz.

Le sujet de stage proposé ici porte sur l'étude de la variabilité du noyaux actif de Galaxie PKS 2155-304. Cette source, présente des variations extrêmes de flux au TeV sur des échelles de temps très courtes (~ 1 minute) qui permettent d'envisager des études temps-fréquence pour tester l'invariance de Lorentz. Le but du stage est de développer une nouvelle méthode d'analyse de données pour caractériser la variabilité simultanée temporelle et spectrale de cette source de photons gamma de très haute énergie. Si le travail se poursuit en thèse, il pourra être étendu à d'autres sources et à l'étude de l'ensemble des données du plan Galactique.

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Bibliographie :
[1] VHE gamma-ray emission of PKS 2155-304 : spectral and temporal variability, Collaboration H.E.S.S., Astronomy & Astrophysics (2010)
[2] Search for Lorentz invariance breaking with a likelihood fit of the PKS 2155-304 flare data taken on MJD 53944, Collaboration H.E.S.S., Astroparticle Physics (2011)
[3] The 2012 flare of PG 1553+113 seen with H.E.S.S. and Fermi-LAT: Constraints on the source redshift and Lorentz invariance violation, Collaborations H.E.S.S. et Fermi, Astrophysical Journal (2015)
H.E.S.S. is an array of imaging atmospheric Cherenkov telescopes for very high energy gamma astronomy located in Namibia. This instrument detects gamma-rays above a few tens of GeV that makes it possible to study the processes of charged particles acceleration within objects as diverse as supernova remnants or active galactic nuclei. Through this, H.E.S.S. aims in particular at answering the century-old question of the origin of cosmic rays.

In this context, transient phenomena are particularly interesting. The study of these variable emissions (transient or periodic), either towards the Galactic Center or active nuclei of galaxies (AGN) at cosmological distance allows for a better understanding of the emission processes at work in these sources. It also helps characterizing the medium in which the photons propagate and testing the validity of some fundamental physical laws such as Lorentz invariance.

The subject of the internship proposed here is the study of the variability of the active nuclei of Galaxie PKS 2155-304. This source shows extreme variations of its gamma-ray flux over short time scales (~ 1 minute) that allow to consider time-frequency studies to test Lorentz invariance. The aim of the internship is to develop a new data analysis method to characterize the simultaneous temporal and spectral variability of this very high energy gamma-ray source. The work could be extended in a PhD thesis to other sources and to the study all the data taken by H.E.S.S. along the Galactic plane.

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Bibliography :
[1] VHE gamma-ray emission of PKS 2155-304 : spectral and temporal variability, Collaboration H.E.S.S., Astronomy & Astrophysics (2010)
[2] Search for Lorentz invariance breaking with a likelihood fit of the PKS 2155-304 flare data taken on MJD 53944, Collaboration H.E.S.S., Astroparticle Physics (2011)
[3] The 2012 flare of PG 1553+113 seen with H.E.S.S. and Fermi-LAT: Constraints on the source redshift and Lorentz invariance violation, Collaborations H.E.S.S. et Fermi, Astrophysical Journal (2015)
Mots clés/Keywords
astroparticules, invariance de Lorentz, astronomie gamma de très haute énergie
astroparticles, Lorentz invariance, very high energy gamma-ray astronomy
Compétences/Skills
Analyse de données, outils statistiques
Data analysis, statistical tools
Logiciels
Python, C/C++, ROOT
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Etude de l’énergie noire et contraintes cosmologiques avec les galaxies à raies d‘émission du relevé spectroscopique DESI
Dark energy and cosmological constraints with emission line galaxies in the spectroscopic survey DESI

Spécialité

Astrophysique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

22/07/2020

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

RUHLMANN-KLEIDER Vanina
+33 1 69 08 61 57

Résumé/Summary
La distribution des galaxies à raies d'émission (ELG) à petite échelle sera mesurée avec les premières données du spectrographe DESI et comparée à des simulations numériques pour étudier la façon dont les ELG peuplent les halos de matière noire.
The distribution of emission line galaxies (ELG) at small scale will be measured in the very first data of the DESI spectrograph and compared with numerical simulations to study how ELGs populate dark matter halos.
Sujet détaillé/Full description
L’accélération tardive de l’expansion de l’Univers, mise en évidence à la fin des années 90 et confirmée depuis par les mesures cosmologiques toujours plus précises, reste inexpliquée. La modification de la relativité générale aux échelles cosmologiques est une hypothèse possible. Parmi les mesures, celle du taux de croissance des structures est le moyen le plus direct de tester les prédictions de la relativité générale, puisque la gravité est le moteur de cette croissance. Ce stage propose d’utiliser les premières observations du spectrographe DESI pour étudier la distribution des galaxies à raies d’émission (ELG), traceur principal de DESI.
DESI est un spectrographe multi-fibres permettant de mesurer 5000 spectres simultanément à chaque pointé. Récemment mis en service, DESI devrait mesurer 35 millions de spectres (de galaxies et quasars) en 5 ans, soit 10 fois mieux que les meilleurs spectrographes existants. Les observations de DESI permettront de mesurer précisément le taux de croissance des structures dans une gamme en décalage spectral de 0.05 à 1.5, par unité de 0.1 en décalage (soit 18 mesures au total). L’échantillon des ELG comptera 18 millions de spectres couvrant la gamme en décalage au-delà de 0.6.
Au cours du stage, on s’intéressera plus particulièrement à la distribution des ELG à petite échelle qui sera comparée à des simulations numériques pour étudier la façon dont les ELG peuplent les halos de matière noire, propriétés encore mal connues à ce jour. Le stage pourra être complété par une étude bibliographique d’une méthode générique pour tester d’éventuelles déviations de l’évolution des structures par rapport aux prédictions de la relativité générale (dite méthode paramétrique ?,?). Ce stage peut déboucher sur une thèse portant sur la mesure de la distribution des ELG à toute échelle afin de mesurer le taux de croissance des structures et de rechercher d’éventuelles déviations par rapport aux prédictions de la relativité générale.
The late acceleration of the Universe expansion, revealed at the end of the 1990s and confirmed since then with more precise cosmological data, remains unexplained. Modifications to General Relativity at large scales offer a promising explanation. Among the measures, that of the growth rate of structures is the most direct way to test the predictions of General Relativity, since gravity is the driving force behind this growth. This internship proposes to use the first observations of the DESI spectrograph to study the clustering of emission line galaxies (ELG), the main matter tracer of DESI.
DESI is a multi-fiber spectrograph allowing 5,000 spectra to be measured simultaneously in each pointing. Recently commissioned, DESI should measure 35 million spectra (of galaxies and quasars) in 5 years, 10 times better than the best existing spectrographs. DESI observations will make it possible to accurately measure the growth rate of structures in a redshift range from 0.05 to 1.5, in bins of 0.1 in redshift (i.e. 18 measurements in total). The ELG sample will cover redshifts above 0.6.
In this internship, the ELG distribution at small scale will be measured and compared with numerical simulations to study how ELGs populate dark matter halos, properties that are still poorly known to date. This work will be completed by a bibliographical review on a generic method for testing possible deviations from General Relativity predictions (the so-called parametric method ?,?). This internship is connected to a PhD thesis aiming at measuring the ELG clustering at all scales with the first year of DESI data to search for possible deviations from General Relativity.
Mots clés/Keywords
cosmologie, grandes structures, tests de la relativité générale, taux de croissance des structures
cosmology, large scale structures, tests of General Relativity, growth rate of structures
Compétences/Skills
La distribution des ELG sera mesurée à l’aide de statistiques à deux points (fonction de corrélation, spectre de puissance), après vérification de la qualité des données et correction des effets systématiques éventuels par des méthodes de pondération. Les mesures à petite échelle seront utilisées pour normaliser les simulations numériques par une méthode de moindres carrés.
The ELG distribution will be measured with 2-point statistics (correlation function, power spectrum). The data quality will be checked and possible systematic effects will be corrected for with weighting techniques.
Logiciels
python
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L'expérience NUCLEUS: vers une mesure précise du processus de diffusion cohérente des neutrinos sur noyaux auprès de réacteurs
The NUCLEUS experiment: toward a precision measurement of coherent elastic neutrino-nucleus scattering at reactors

Spécialité

Physique nucléaire

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

01/07/2020

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

Vivier Matthieu
+33 1 69 08 66 26

Résumé/Summary
La diffusion cohérente des neutrinos sur noyaux est un processus d’interaction prometteur qui pourrait ouvrir la voie vers la miniaturisation des détecteurs de neutrinos, et aller sonder de la nouvelle physique au-delà du modèle standard de la physique des particules. Ce stage se propose de mener une étude poussée des bruits de fond pour concevoir une nouvelle expérience de détection des neutrinos basé sur ce processus, et dont le déploiement se ferait sur la centrale nucléaire de Chooz dans les Ardennes.
Coherent elastic neutrino nucleus scattering is a promising interaction process which could potentially allow to scale down neutrino detectors, and probe new physics beyond standard model of particle physics. This internship consists in carrying a in-depth study of backgrounds for the design of a new experiment dedicated to the detection of neutrinos through this process at the Chooz nuclear power plant, in France.
Sujet détaillé/Full description
La diffusion cohérente des neutrinos sur noyaux (DCNN) est un processus d’interaction des neutrinos prédit il y a plus de 40 ans dans le cadre de l’élaboration du modèle standard de la physique des particules, et dont la première détection a été réalisée en 2017 par la collaboration américaine « COHERENT ». Ce processus, pouvant présenter des sections efficaces 10 à 1000 fois plus grandes que les canaux d’interaction classiques utilisés pour étudier les propriétés fondamentales du neutrino, offre des perspectives attrayantes pour la miniaturisation des détecteurs et la recherche de nouvelle physique (recherche de nouvelles interactions, études des propriétés électro-magnétique du neutrino, etc.). Il reste cependant largement inexploité, notamment parce que les reculs nucléaires induits sont de très faible énergie (? keV) et nécessitent donc des détecteurs à très bas seuil en énergie pour être observés. Notre équipe s’est donc orientée vers l'utilisation de détecteurs cryogéniques, et a récemment formé la collaboration NUCLEUS réunissant des partenaires Allemands, Autrichiens et Italiens pour concevoir un détecteur qui sera déployé sur la centrale nucléaire de Chooz dans les Ardennes.

Ce stage a pour objectif d’étudier et de simuler les bruits de fond dans les détecteurs cryogéniques de l'expérience. Cette étude permettra d'une part d’optimiser la configuration des blindages qui seront installés autour des détecteurs, et d'autre part de comprendre la nature et l'origine de ces bruits de fond dans un domaine d'énergie (? keV) qui reste encore largement inexploré. Cette étude s’appuiera principalement sur un outil de simulation basé sur les logiciels Geant 4 et ROOT, et bénéficiera à la fois de mesures réalisées sur la centrale de Chooz et de mesures réalisées à l'occasion de la phase de prototypage des détecteurs cryogéniques.

Dans le cadre de cette étude, l’étudiant(e) sera amené(e) à interagir et collaborer avec les membres du projet, et pourra éventuellement participer aux prochaines campagnes de mesures de bruit de fond qui se dérouleront sur site. Ce stage sera pour lui/elle l’occasion d'approfondir ses connaissances dans différents domaines comme l’interaction rayonnement-matière, l’instrumentation, la conception et la simulation Monte Carlo de détecteurs en physique des particules et l’analyse de données. A l’issu de ce stage, il/elle aura d’autre part acquis des compétences avancées en programmation orientée-objet et en techniques de simulation Monte Carlo.

Ce stage pourra se poursuivre par une thèse.
Coherent elastic neutrino nucleus scattering (CEvNS) is a neutrino interaction process predicted 40 years ago by the standard model of particle physics, and first detected in 2017 by the « COHERENT » collaboration. This process can exhibit interaction cross-sections a factor 10 to 1000 times larger than cross-sections of other neutrino interaction channels used to study the fundamental properties of the neutrino. It would thus offer promising perspectives for miniaturizing the size of current neutrino detectors, and it is also sensitive to new physics beyond the standard model (new interactions, study of the neutrino electro-magnetic properties, etc.). However, this process remains at the current time largely unexploited, mostly because the induced nuclear recoils are of extremely low energies (? keV) and hence call for low energy threshold detectors. Our research team therefore focuses on the use of cryogenic detectors and has recently formed an international collaboration with German, Austrian and Italian partners called NUCLEUS for designing and for deploying a neutrino detection experiment using CEvNS at the Chooz nuclear power plant, in France.

The goal of this internship is to conduct a in-depth study of the expected backgrounds for such an experiment. This study will allow both to optimize a shielding configuration and to understand the origin and nature of theses backgrounds in a yet unexplored energy regime (? keV). This study will be conducted using a Geant 4-based Monte Carlo simulation tool, and will use on-site background measurements performed at the Chooz nuclear power plant as well as data collected during the prototyping phase of the cryogenic detectors.
Mots clés/Keywords
Physique des particules, physique des neutrinos, simulation Monte Carlo
Particle physics, neutrino physics, Monte Carlo simulation
Compétences/Skills
Programmation C++ orientée objet Simulation Monte Carlo avec Geant 4 Analyse de données avec ROOT
Object oriented C++ programming Monte Carlo simulation with Geant 4 Data analysis with ROOT
Logiciels
ROOT Geant 4 C++
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Recherches d'émission de rayons gamma de haute énergie associé aux sursauts radio (FRBs)
Search for high-energy emission of Fast Radio Bursts with H.E.S.S.

Spécialité

Astrophysique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

01/06/2020

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

SCHUSSLER Fabian
+33 1 69 08 30 20

Résumé/Summary
La détection des rayons gamma de haute énergie associés à des sursauts radio rapides (Fast Radio Bursts, FRBs) constituerait une étape décisive dans notre compréhension de ces phénomènes mystérieux. Ce stage permettra d'effectuer ces recherches en utilisant les données H.E.S.S. obtenues en collaboration avec de grandes installations radio comme les précurseurs de SKA, MeerKAT et ASKAP, ainsi que Parkes et UTMOST.
The detection of high-energy gamma rays associated to Fast Radio Burst would provide a decisive step in our understanding of these mysterious phenomena. This internship will allow to perform these searches using H.E.S.S. data obtained in collaboration with large radio facilites like the SKA precursors MeerKAT and ASKAP as well as Parkes and UTMOST.
Sujet détaillé/Full description
H.E.S.S.S. est un système de télescopes qui étudie les rayons gamma cosmiques dans la gamme d'énergie de 10s de GeV à 10s de TeV. Le nom H.E.S.S. signifie High Energy tereoscopic System, et est également destiné à rendre hommage à Victor Hess, qui a reçu le prix Nobel de physique en 1936 pour sa découverte du rayonnement cosmique. L'instrument permet aux scientifiques d'explorer des sources de rayons gamma dont l'intensité représente quelques millièmes du flux de la nébuleuse du crabe (la source constante la plus brillante de rayons gamma dans le ciel). H.E.S.S. est situé en Namibie, près de la montagne de Gamsberg, une région bien connue pour son excellente qualité optique. Le premier des quatre télescopes de la phase I du projet H.E.S.S. est entré en service à l'été 2002. Un cinquième télescope beaucoup plus grand - H.E.S.S. II - est opérationnel depuis juillet 2012, améliorant encore la sensibilité, étendant la couverture énergétique et permettant des réactions très rapides aux événements transitoires. L'observatoire H.E.S.S.S. est géré par une collaboration de plus de 170 scientifiques de 32 instituts et de 12 pays différents.

Au cours des dernières années, des observatoires du monde entier ont détecté des sursauts très puissantes mais très courtes dans le domaine radio. L'origine de ces Fast Radio Bursts (FRBs) reste énigmatique. Le mystère entourant les FRBs semble s'accroître dans un passé récent, alors qu'un petit nombre d'explosions se sont répétées. La recherche de contreparties dans d'autres longueurs d'onde est un sujet extrêmement brûlant dans la communauté de l'astrophysique et la collaboration de H.E.S.S. y participe activement. Plusieurs campagnes d'observation très intéressantes ont été réalisées par H.E.S.S. en collaboration avec les éclaireurs SKA ASKAP et MeerKAT ainsi qu'avec les observatoires Parkes et UTMOST.
Après une introduction au sujet de l'astronomie gamma de haute énergie et des FRBs, le stage permettra d'analyser les données gamma de haute énergie en collaboration avec des collègues des observatoires radio. Nous suivrons d'abord des directives d'analyse bien établies dédiées aux phénomènes transitoires et travaillerons ensuite sur des améliorations possibles. Il s'agira notamment d'utiliser des méthodes d'analyse dédiées et novatrices pour rechercher des émissions variables et/ou analyser des données à très courte échelle de temps.
H.E.S.S. is a system of Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes that investigates cosmic gamma rays in the energy range from 10s of GeV to 10s of TeV. The name H.E.S.S. stands for High Energy Stereoscopic System, and is also intended to pay homage to Victor Hess , who received the Nobel Prize in Physics in 1936 for his discovery of cosmic radiation. The instrument allows scientists to explore gamma-ray sources with intensities at a level of a few thousandths of the flux of the Crab nebula (the brightest steady source of gamma rays in the sky). H.E.S.S. is located in Namibia, near the Gamsberg mountain, an area well known for its excellent optical quality. The first of the four telescopes of Phase I of the H.E.S.S. project went into operation in Summer 2002. A much larger fifth telescope - H.E.S.S. II - is operational since July 2012, further improving sensitivity, extending the energy coverage and allowing for very rapid reactions to transient events. The H.E.S.S. observatory is operated by the collaboration of more than 170 scientists, from 32 scientific institutions and 12 different countries.

Worldwide observatories have detected very powerful but very short bursts in the radion domain over the last years. The origin of these Fast Radio Bursts (FRBs) remains enigmatic. The mystery surrounding FRBs seems to increase in the recent past when a small number of bursts have been found to be repeating. Searches for counterparts in other wavelengths are an extremely hot topic in the astrophysics community and the H.E.S.S. collaboration is actively participating. Several very interesting observation campaigns have been performed by H.E.S.S. in collaboration with the SKA pathfinders ASKAP and MeerKAT as well as with the Parkes and UTMOST observatories.

After an introduction to the topic of high-energy gamma-ray astronomy and FRBs, the internship will allow to analyze the obtained high-energy gamma-ray data in collaboration with colleagues from the radio observatories. We’ll first follow well-established analysis guidelines dedicated to transient phenomena and will then work towards possible improvements. These will include the use of dedicated and novel analysis methods searching for variable emissions and/or analysis of dataset at extremely small timescale.
Mots clés/Keywords
multi-longeur d'onde
multi-wavelength
Logiciels
C/C++ et/ou Python

 

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